ARM芯片详解
作者：不详
翻译：nbw

        译者注：这篇文章主要介绍了Risc结构的PDA芯片组成和汇编程序，翻译不周，肯定有错误，请多包涵，另外我忘记了出处，这里向作者表示歉意。
       
        RISC处理器被广泛应用在小型设备上，例如PDA，移动电话，智能热水器等。有很多关于RISC处理器的汇编程序，但最常见的还是ARM。
        下面我要谈的是ARM 7，因为我研究的是这个。
        让我们先了解一下ARM的架构。ARM处理器包含37个寄存器：31个通用的32位寄存器，以及6个状态寄存器。寄存器的设置取决于处理器状态。ARM状态执行32位指令，Thumb状态执行16位指令集。
        在ARM状态，有18个寄存器可用：可供直接存储的R0―R15，CPSR（当前程序状态寄存器），SPSR（被存储程序状态）。其中3个可直接存储器被称为服务寄存器。
       
        （R13）SP ??堆栈指针
        （Ｒ14）LR??连接寄存器，用来存储调用过程的函数地址（译注：可简单理解为过程返回地址）。并且，ＬＲ并非存储在堆栈中－它存在于寄存器中。
        （Ｒ15）PC??当前指令指针。用一般的ｍｏｖ指令就可以改变它的值，从而执行它所指向的命令。
       
        在Thumb 状态，有13个寄存器可用：R0-R8, R13-R15, CPSR, SPSR

        状态的改变，不会影响寄存器内容的变化。
        如果想进入Thumb状态，可以先将操作寄存器的状态位设为１（bit 1），然后执行BX指令。如果想进入ARM （译注：原文误为APM）状态，可以先将操作寄存器的状态位设为０（bit 0），然后执行BX指令。
        ２种状态的指令集是不同的，但是很多指令都是类似的。Thumb指令集长度为２bytes，ARM－4bytes。关于２种状态指令的具体资料可以参考： http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc0673.pdf
        有趣的是很多指令可以同时操作多个寄存器。例如：
ADD     R3, SP, #4                 相当于：　R3:=SP+4
        或者，用来存储寄存器入栈的指令：
PUSH {R2-R4, R7, LR} 　这和x86汇编里面的pushad指令不同，在ARM汇编里面，这种将寄存器存入堆栈的方式是可行的。
        内存中，数据存储方式可以是低位存储（例如Intel寄存器）或者高位存储（例如Motorola寄存器）。所以，写代码时候，有必要指明数据存放方式。
        下面是一些ＡＲＭ编译器的资料：
http://heanet.dl.sourceforge.net/sourceforge/gnude/gnude-arm-win.exe  - GNU compiler with all consequences - all through command line + debugging through gdb.

http://www.goldroad.co.uk/grARM.html - unpretentious ARM assembler.

http://www.arm.com/support/downloads/index.html  - official tools for ARM’s develpment. Here you can only buy them.

http://www.iar.com/  - alternative to IDA for ARM. 30-day's trial version is offered.
        下面讲解一下由Ｃ＋＋的ＡＲＭ编译器生成的ＡＲＭ汇编程序。
        一般地，分析不同程序的时候，经常碰到的并不是纯粹的汇编语言，而是由Ｃ＋＋编译器生成的代码。当然，x86汇编程序员一般不会如此。
        函数调用：
        这里不存在函数参数调用约定（例如cdecl，stdcall 等）！所有的函数调用约定类似于Borland的fastcall。参数由寄存器传入，如果数目不够，由堆栈传入。
        例如：
ROM:0001F4E2         MOV R0, SP

ROM:0001F4E4         MOV R2, *6

ROM:0001F4E6         ADD R1, R4, *0

ROM:0001F4E8        BL memcmp
        参数的传递顺序对应于寄存器编号，Ｒ０为第一个，Ｒ１为第二个，Ｒ２为第三个（译注：比较有意思）。相当于：
int memcmp (

   const void *buf1,

   const void *buf2,

   size_t count

);
buf1 = R0

buf2 = R1

count = R2

        函数返回值被存放在Ｒ０中：
ROM:0001F4E2         MOV R0, SP

ROM:0001F4E4         MOV R2, *6

ROM:0001F4E6         ADD R1, R4, *0

ROM:0001F4E8        BL memcmp

ROM:0001F4EC         CMP R0, *0

ROM:0001F4EE         BNE loc_1F4F4
        下面是一个利用堆栈传递参数的例子：
ROM:000BCDEC         MOV R2, *0

ROM:000BCDEE         STR R2, [SP]

ROM:000BCDF0         MOV R2, *128

ROM:000BCDF2         MOV R3, *128

ROM:000BCDF4        MOV R1, *14

ROM:000BCDF6         MOV R0, *0

ROM:000BCDF8         BL FillBoxColor
        上面，Ｒ０－Ｒ３存储坐标，第５个参数（色彩）被存放在堆栈中。

        只有通过分析才可以确定操作数的数目。我们可以分析函数和它的调用部分。有时候，参数信息可以通过对寄存器和堆栈的操作观察出来。例如，在Thumb状态下，程序对Ｒ０－Ｒ７和服务寄存器的操作。所以，如果看到类似于下面的代码：
ROM:00059ADA         getTextBounds                          

ROM:00059ADA         PUSH {R4-R7, LR},
        可以认为它的参数被存放在Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３和ＳＰ。如果见到：
ROM:0005924E         ADD R0, SP, *0x14

ROM:00059250         ADD R1, SP, *0x6C

ROM:00059252         ADD R2, SP, *0x68

ROM:00059254         ADD R3, SP, *0x64

ROM:00059256         BL getTextBounds
        我们看到只有Ｒ０－Ｒ３被使用，就是说只有４个参数被传递过来。

转移（Transitions ）
        一般，转移分为条件转移和无条件转移。转移目标可以存放在寄存器或者其他处。寄存器转移一般用于Thumb/ARM 状态转换。无条件短转移指令为Ｂ（branch）命令。长跳转指令－BX（交换转移）。函数调用采用BL（连接转移），且调用时将返回地址存入ＬＲ寄存器。当然，改变ＰＣ寄存器内容也可以改变转移地址：
ADD PC, *0x64
但是Ｃ编译器通常不这样处理，它们在转移的时候，只是以写入命令改变ＰＣ寄存器。

分支（Branches）
        也称为转换，一般用法如下：
ROM:0027806E         CMP R2, *0x4D; 'M'

ROM:00278070         BCS loc_27807A

ROM:00278072         ADR R3, word_27807C

ROM:00278074         ADD R3, R3, R2

ROM:00278076        LDRH R3, [R3, R2]

ROM:00278078         ADD PC, R3

ROM:0027807        A

ROM:0027807        A loc_27807A                              

ROM:0027807        A B loc_278766

ROM:0027807        C word_27807C DCW 0xAA, 0xBE, 0xC6, 0x180, 0x186; 0

ROM:0027807        C DCW 0x190, 0x1A0, 0x1A8, 0x1DE, 0x1E4; 5

ROM:0027807        C DCW 0x1B0, 0x212, 0x276, 0x1FE, 0x294; 10
        首先，检查跳转标记，该标记必须小于0x40，如果大于，则跳到默认处理位置，即：loc_27807A。
        然后执行位于word_27807C 的转移控制表。这个表里面存放的是偏移，并非地址。随后，根据跳转标记，取表中的偏移，扩展之，加操作放入ＰＣ寄存器。比如，如果跳转标记为０，将会跳转到地址：
0x278078 (current value PC) +0xAA (offset from the table) + 0x4 (!!!) = 0x278126
        之所以加４，是因为ＡＲＭ处理器的特征：操作ＰＣ寄存器时，其值应该比预先确定的数值大４（在文档“to ensure it is word aligned ”中有说明）。
       
内存存取

        在Thumb状态，处理器可以存取+/-256 字节的空间。因此，无法直接存取内存，而需要利用寄存器来引导。也就是无法直接定位到0x974170，而需要采用寄存器。例如：
ROM:00277FF6 LDR R0, =unk_974170

ROM:00277FF8 LDR R0, [R0]
        我们获得了0x974170处的数据，但是事情还没有结束！该有效地址（0x974170）处于有效的正负256 字节中：
ROM:00278044 off_278044 DCD unk_974170
这样，就是说，LDR指令的机器码中存储了该命令当前的地址。（译注：就是说0x974170虽然看起来比较大，实际上还是那+-256字节内，只不过通过LDR指令来定位）
        这里存在一个很艺术的优化方法：如果一个地址和该函数中另外一个被用到的地址有关联，那么这个地址可以通过算术运算指令或者间接存取来获取。举例来说，如果一个函数需要用到0x100000处的变量，并且需要用到0x100150处的另外一个变量，那么，编译器可以将这2个变量建立关联，或者采用以下代码：
LDR R0, =0x100000

ADD    R0, *0xFF

ADD    R0, *0x51

LDR R0, [R0]
        在x86里面，这种方法应用于结构中获取子结构接口。但是此处，却是一个常用的优化，这有什么好处呢？可以减小内存存储，并且算术运算比数据加载快得多。可以认为整个ARM汇编程序充满了不同的寄存器间算术运算。事实上，有多达16个寄存器用来进行此操作－减少内存和堆栈定位频度。因此，只有在非常大的函数中才需要用堆栈存储变量。对堆栈的操作和x86处理堆栈的方式一样。

ＩＤＡ中的代码分析

        既然ＡＲＭ文件没有统一格式，那么在加载ＡＲＭ二进制映像的时候，有必要先加载该文件。在加载的时候，需要确定处理器类型。如果处理器规定代码必须按照处理器模块处理顺序，那么你可以加载映像文件并且指定需要的处理方式，ＡＲＭ处理方式（低位处理）或者ＡＲＭＢ（高位处理）。并且，有必要建立ＲＯＭ或者ＲＡＭ段。总之没有固定的处理方式，具体的处理有赖于映像和每个ＡＲＭ处理器的架构。例如，在ＡＲＭ７中，内存一般有如下格式：
0x0 - 0x8000        of         RAM processor

0x8000 -         0x1000000 ROM

0x1000000 -         0x..... - SRAM （这里看出自身数目）
        现在就可以分析代码了，在很多设备中（一般都是移动电话），代码的入口设定为0x8000。ＡＲＭ模式下的代码从0x8000开始执行，所以，开始执行的指令和该处的一样。处理器的ＩＤＡ模块可以简单地分析此类switching语句，然后Thumb 代码在ＡＲＭ中执行。如果手工修改跳转，可以按ALT-G，然后修改文件中的标记，如果为ＡＲＭ文件，设为０，Thumb文件，设为１。

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