用Qemu和GNU编译链研究ARM汇编(4)
Jul 11, 2013
Technology
1. 有关异常向量
前面的例子中存在一个大BUG，内存布局中的前8个全字是为异常向量而保留的。当异常发生时控制逻辑将转到这些位置以执行对应的异常处理代码。异常向量和它们的地址如下：
- Exception Address
- Reset 0x00
- Undefined Instruction 0x04
- Software Interrupt (SWI) 0x08
- Prefetch Abort 0x0C
- Data Abort 0x10
- Reserved, not used 0x14
- IRQ 0x18
- FIQ 0x1C
按理说，这些个异常向量应该对应到异常处理程序中，既然我们代码中不会有异常发生，索性就用死循环来代替，如下：
.section "vectors"
reset: b start
undef: b undef
swi: b swi
pabt: b pabt
dabt: b dabt
nop
irq: b irq
fiq: b fiq
对应的，为了确保这些指令被放置在异常向量地址中，链接脚本也需要做相应的改动：
SECTIONS {
. = 0x00000000;
.text : {
* (vectors);
* (.text);
...
}
...
}
异常向量需要放置在所有代码之前，这确保了代了向量是从0x0地址开始。
2. C启动代码
直接执行C代码会造成CPU直接重启，因为和汇编代码不同的是C语言需要初始化运行环境。
static int arr[] = { 1, 10, 4, 5, 6, 7 };
static int sum;
static const int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
int main()
{
int i;
for (i = 0; i < n; i++)
sum += arr[i];
}
C语言运行环境需要设置
- 栈
- 全局变量： 已初始化的 && 未初始化的
- 只读数据
2.1 栈设置
栈被用来存储自动变量，传递函数变量，存储返回地址等等。ARM Architecture Procedure Call Standard (AAPCS)是ARM体系结构中用于生成栈的规则。r13被用于作栈指针。
对于特定的开发板来说，栈开始地址可能不同，对于connex开发板来说，地址可以用下面的代码来定义：
ldr sp, =0xA4000000
2.2 全局变量
C代码在编译时会把已初始化的全局变量放在.data段中，因而在初始化的汇编代码中，需要把.data段从Flash搬移到RAM中。
C代码确保未初始化的全局变量被初始化成0. 当C程序被编译时，独立的.bss段被用作未初始化的变量。因为未初始化的值都是0,我们无需将其存储在FLASH中。只不过在搬移的时候，我们需要在程序中将它们初始化为0而已。
2.3 只读数据
const常量会被初始化为.rodata， .rodata也被用于存储字符常量。
.rodata在运行时不会被改变，所以它们可以被直接放置在FLASH中。
2.4 启动代码
Linker脚本需要做下面的事：
- .bss部分代替
- vectors部分代替
- .rodata部分代替
SECTIONS {
. = 0x00000000;
.text : {
* (vectors);
* (.text);
}
.rodata : {
* (.rodata);
}
flash_sdata = .;
. = 0xA0000000;
ram_sdata = .;
.data : AT (flash_sdata) {
* (.data);
}
ram_edata = .;
data_size = ram_edata - ram_sdata;
sbss = .;
.bss : {
* (.bss);
}
ebss = .;
bss_size = ebss - sbss;
}
启动代码需要完成下列任务：
- 中断向量设置
- 将.data部分从FLASH拷贝到RAM
- 将.bss置0后拷贝到RAM
- 设置栈指针(stack pointer)
- 分支程序到main函数
.section "vectors"
reset: b start
undef: b undef
swi: b swi
pabt: b pabt
dabt: b dabt
nop
irq: b irq
fiq: b fiq
.text
start:
@@ Copy data to RAM.
ldr r0, =flash_sdata
ldr r1, =ram_sdata
ldr r2, =data_size
@@ Handle data_size == 0
cmp r2, #0
beq init_bss
copy:
ldrb r4, [r0], #1
strb r4, [r1], #1
subs r2, r2, #1
bne copy
init_bss:
@@ Initialize .bss
ldr r0, =sbss
ldr r1, =ebss
ldr r2, =bss_size
@@ Handle bss_size == 0
cmp r2, #0
beq init_stack
mov r4, #0
zero:
strb r4, [r0], #1
subs r2, r2, #1
bne zero
init_stack:
@@ Initialize the stack pointer
ldr sp, =0xA4000000
bl main
stop: b stop
我们将直接用arm-none-eabi-gcc来编译所有程序： arm-none-eabi-gcc -nostdlib -o csum.elf -T csum.lds csum.c startup.s -nostdlib选项用于指定标准C不应该被链接。
查看符号信息：
arm-none-eabi-nm -n csum.elf
00000000 t reset
00000004 A bss_size
00000004 t undef
00000008 t swi
0000000c t pabt
00000010 t dabt
00000018 A data_size
00000018 t irq
0000001c t fiq
00000020 T main
00000094 t start
000000a8 t copy
000000b8 t init_bss
000000d0 t zero
000000dc t init_stack
000000e4 t stop
00000100 r n
00000104 R flash_sdata
a0000000 d arr
a0000000 D ram_sdata
a0000018 D ram_edata
a0000018 D sbss
a0000018 b sum
a000001c B ebss
可以看到： 中断向量从0x0开始; 汇编代码从8个全字后开始(0x20==32==84); 只读数据n放在代码之后; arr，初始化后的数据，放在RAM中; 未初始化的数据,sum放在6个int之后64==24==0x18
转化成.bin二进制格式后，在Qemu中运行之，检查结果：
$ arm-none-eabi-objcopy -O binary csum.elf csum.bin
$ dd if=/dev/zero of=./flash.bin bs=4K count=4K
$ dd if=csum.bin of=flash.bin bs=4096 conv=notrunc
$ qemu-system-arm -M connex -pflash flash.bin -nographic -serial /dev/null
(qemu) xp /6dw 0xa0000000
a0000000: 1 10 4 5
a0000010: 6 7
(qemu) xp /1dw 0xa0000018
a0000018: 33
我们可以看到，1, 10, 4, 5, 6, 7 分别为数组元素，而结果为33, 储存在0x18的地址。如果感兴趣，我们大可查找出别的数据地址，这里就不一一述说了。