用Qemu和GNU编译链研究ARM汇编(1)
Jul 9, 2013
Technology
1. 汇编程序代码格式
汇编代码由一系列的声明所组成，每行一个。每条声明由下列格式组成：
label(标签): instruction @comment(注释)
说明：
- label: 标签的引入使得在内存中查询指令地址变得很方便，标签可以在任意一个内存地址使用， 例如分支指令中就可以用到标签, 标签可以包括字母、数字_和$符号。
- 注释： 注释内容必须在@符号之后
- 指令: 指令可以是ARM指令集或是汇编器指令，汇编器指令是需要传递给汇编器的命令，总是以.开头。
2. 一个简单的汇编语言文件:
.text
start: @ Label, not really required
mov r0, #5 @ Load register r0 with the value 5
mov r1, #4 @ Load register r1 with the value 4
add r2, r1, r0 @ Add r0 and r1 and store in r2
stop: b stop @ Infinite loop to stop execution
上面代码的意思是，把立即数5载入到寄存器r0, 4载入到r1, 以r1和r0相加的结果填充r2.
.text是汇编器指令，用于告知汇编器需要把代码组装到code段,而不是.data段。有关section的概念在后面将被讲到。
3. 编译二进制文件
GNU的汇编器名字叫as， 用下列命令将源文件编译成.o文件
$ arm-none-eabi-as -o add.o add.s
链接器的名字叫ld，用下列命令可以将二进制文件链接成elf文件
$ arm-none-eabi-ld -Ttext=0x0 -o add.elf add.o
-Ttext指明需要分配给label的地址, 这条指令告诉链接器从地址0x0开始装载指令。我们可以用nm来查看具体的地址分配信息。
$ arm-none-eabi-nm add.elf
00008010 T __bss_end__
00008010 T _bss_end__
00008010 T __bss_start
00008010 T __bss_start__
00008010 T __data_start
00008010 T _edata
00008010 T _end
00008010 T __end__
00080000 T _stack
00000000 t start
U _start
0000000c t stop
start和stop之间由0c个字节，因为stop是在start开始后三条指令， 每条指令的长度为4个Byte，3*4=12=0xc
更改链接的参数将得到不同的地址分配。
$ arm-none-eabi-ld -Ttext=0x20000000 -o add.elf add.o
arm-none-eabi-ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 20000000
$ arm-none-eabi-nm add.elf
20008010 T __bss_end__
20008010 T _bss_end__
20008010 T __bss_start
20008010 T __bss_start__
20008010 T __data_start
20008010 T _edata
20008010 T _end
20008010 T __end__
00080000 T _stack
20000000 t start
U _start
2000000c t stop
ld得到的文件一般是ELF文件，在有操作系统的时候ELF可以工作的很好，但是我们将在裸机模式下(Bare Metal)运行此程序， 因此需要将文件类型转化为更简单的binary类型。
GNU编译链的objcopy可以完成不同可执行文件之间的转换：
$ arm-none-eabi-objcopy -O binary add.elf add.bin
$ file add.bin
add.bin: Hitachi SH big-endian COFF
4. 在Qemu中执行二进制文件。
我们将使用connex开发板来模拟运行此程序，它把16MB的Flash放在地址0x0，而通常arm处理器重启时都会执行0x0处的代码。 因而我们需要把add.bin写入到16MB Flash文件的头部。
首先创建一个空的16MB Flash文件
$ dd if=/dev/zero of=flash.bin bs=4k count=4k
4096+0 records in
4096+0 records out
16777216 bytes (17 MB) copied, 0.0153106 s, 1.1 GB/s
而后，使用下列命令将add.bin放到Flash头部
$ dd if=add.bin of=flash.bin bs=4K conv=notrunc
0+1 records in
0+1 records out
16 bytes (16 B) copied, 0.00011154 s, 143 kB/s
add.bin大小刚好为16B, notrunc参数代表no truncated，意思是直接覆盖掉原有内容。
用下列命令执行此改动后的flash文件:
$ qemu-system-arm -M connex -pflash flash.bin -nographic -serial /dev/null
QEMU 1.4.2 monitor - type 'help' for more information
-M connex 指定connex机器， -pflash指定flash.bin代替flash闪存。
-pflash file use ‘file’ as a parallel flash image 并行flash镜像
-serial /dev/null 将connex的串口输出重定向到/dev/null
查看寄存器信息：
(qemu) info registers
R00=00000005 R01=00000004 R02=00000009 R03=00000000
R04=00000000 R05=00000000 R06=00000000 R07=00000000
R08=00000000 R09=00000000 R10=00000000 R11=00000000
R12=00000000 R13=00000000 R14=00000000 R15=0000000c
PSR=400001d3 -Z-- A svc32
FPSCR: 00000000
R02的值正是计算后的结果4+5=9. R15=0000000c 猜测应该为指令寄存器，指向stop(0xc)
5. 更多的查看命令:
help List available commands
quit Quits the emulator
xp /fmt addr Physical memory dump from addr
system_reset Reset the system.
(qemu) help xp
xp /fmt addr -- physical memory dump starting at 'addr'
(qemu) xp /4iw 0x0
0x00000000: e3a00005 mov r0, #5 ; 0x5
0x00000004: e3a01004 mov r1, #4 ; 0x4
0x00000008: e0812000 add r2, r1, r0
0x0000000c: eafffffe b 0xc
4: 4 个条目被显示, i表示打印出指令，即内建的反汇编， w表明条目的大小为32个bit，即一个全字。