一个简单的 ARM 汇编程序和 C 程序及深入分析

芯片框架

本实验开发板所用 ARM 芯片是 S3C2440 芯片，其框架如下：

01_010 S3C2440框架 .png

S3C2440 芯片是从 0 地址开始启动的，有 Nor 启动和 Nand 启动两种启动方式。

Nor 启动时，Nor Flash 的基地址为 0，片内 SDRAM 地址为0x4000 0000 (见芯片手册 Memory Map)。启动后，CPU 从Nor Flash 0 地址读出第 1 个指令（前4字节），执行；CPU 继续读出其它指令执行。

Nand 启动时，片内 4kSDRAM 基地址为 0，Nor Flash 不可访问。S3C2440 芯片硬件会把 Nand Flash 前 4K 内容复制到片内的SDRAM，然后 CPU 从0地址取出第1条指令执行。

原理图确定引脚

第一，从原理图确定 LCD 的引脚。

01_007 LED电路图.png

引脚 nLED1、2、4 输出高电平时灯熄灭，低电平时灯点亮。

GPF 寄存器地址和设置说明：

01_009 GPF 寄存器.png

所以，要控制 LED1 ：

需要设置 GPFCON[9:8] = 0b01, 把 GPF4 配置为输出引脚。即把 0x100 写入 GPFCON 这个寄存器，地址为0x5600 0050
控制 LED 的亮灭，需要设置 GPFDAT[4] = 1 或者0，输出高电平或低电平。即把 0x10 或 0x0 写到地址 0x5600 0054

注：上面的写法会破坏寄存器的其它位，其它位是控制其它引脚的。但为了让第一个裸板程序尽可能的简单，此实验才简单粗暴的这样处理。实际要用位操作，只设置对应的位！

编写汇编程序

汇编程序 led_on.S 代码如下：

/*
 * 点亮LED1: gpf4
 */
.text
.global _start

_start:

/* 配置GPF4为输出引脚
 * 把0x100写到地址0x56000050
 */
    ldr r1, =0x56000050
    ldr r0, =0x100  /* mov r0, #0x100 */
    str r0, [r1]

/* 设置GPF4输出低电平 
 * 把0写到地址0x56000054
 */
    ldr r1, =0x56000054
    ldr r0, =0  /* mov r0, #0 */
    str r0, [r1]

    /* 死循环 */
halt:
    b halt

Makefile：

all:
    arm-linux-gcc -c -o led_on.o led_on.S  //编译
    arm-linux-ld -Ttext 0 led_on.o -o led_on.elf  //链接
    arm-linux-objcopy -O binary -S led_on.elf led_on.bin  //生成bin文件
    arm-linux-objdump -D led_on.elf > led_on.dis  //反汇编
clean:
    rm *.bin *.o *.elf *.dis

编译后烧写到开发板上，即可看到LED1亮。

分析反汇编代码

代码中的ldr r1, =0x56000050这条伪指令的真实指令时什么呢?

可以通过反汇编来查看。生成的 led_on.dis 就是反汇编文件。led_on.dis 如下：

led_on.elf:     file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <_start>:
   0:   e59f1014    ldr r1, [pc, #20]   ; 1c <.text+0x1c>
   4:   e3a00c01    mov r0, #256    ; 0x100
   8:   e5810000    str r0, [r1]
   c:   e59f100c    ldr r1, [pc, #12]   ; 20 <.text+0x20>
  10:   e3a00000    mov r0, #0  ; 0x0
  14:   e5810000    str r0, [r1]

00000018 <halt>:
  18:   eafffffe    b   18 <halt>
  1c:   56000050    undefined
  20:   56000054    undefined
  
  //第一列是地址，第二列是机器码，第三列是汇编；
  //在反汇编文件里可以看到，ldr r1, =0x56000050 被转换成 ldr r1, [pc, #20], pc+20地址的值为0x56000050,通过这种方式为r1赋值。 对于立即数0x100而言，ldr r0,=0x100即是转换成了mov r0,#256;

上面的反汇编程序解析如下：

0:  e59f1014    ldr r1, [pc, #20]   ; 1c <.text+0x1c>
// r1 = [pc + 20] = [0 + 8 + 20] = [0x1c] = 0x56000050
4:  e3a00c01    mov r0, #256    ; 0x100
8:  e5810000    str r0, [r1]
// 把r0 即0x100写r1对应的内存，即0x100写到地址0x56000050
c:  e59f100c    ldr r1, [pc, #12]   ; 20 <.text+0x20>
// r1 = [pc + 12] = [0xc + 8 + 12] = [32] = [0x20] = 56000054
10: e3a00000    mov r0, #0  ; 0x0
14: e5810000    str r0, [r1]

00000018 <halt>:
  18:   eafffffe    b   18 <halt>
  1c:   56000050    undefined
  20:   56000054    undefined

编写 C 程序

lcd.c

int main()
{
    unsigned int *pGPFCON = (unsigned int *)0x56000050;
    unsigned int *pGPFDAT = (unsigned int *)0x56000054;

    /*配置GPF4为输出引脚*/
    *pGPFCON = 0x100;
    
    /*配置GPF4输出0*/
    *pGPFDAT = 0;

    return 0;
}

还需要写一个汇编程序, 给 main 函数设置内存, 调用main函数。

start.S：

.text
.global _start
_start:
    /*设置内存：sp栈*/
    ldr sp,=4096 /*nand启动*/
        
//  ldr sp, =0x40000000 /*nor启动*/

    /*调用main*/
    bl main
halt:
    b halt

bl main 跳转执行main函数，并把"返回地址"（即下一条指令地址）保存在lr寄存器中，这里返回地址是halt。

Makefile：

all:
    arm-linux-gcc -c -o led.o led.c
    arm-linux-gcc -c -o start.o start.S
    arm-linux-ld -Ttext 0 start.o led.o -o led.elf
    arm-linux-objcopy -O binary -S led.elf led.bin
    arm-linux-objdump -D led.elf > led.dis
clean:
    rm *.bin *.o *.elf *.dis

最后即可编译，烧写到开发板，看到LED1亮。

用反汇编代码分析C程序的执行过程

汇编程序 start.S所做的事情是：1. 设置栈；2. 调用 main，并把返回值地址保存到 lr 中。

C程序 led.c 的 main() 所做的事情是：1. 定义2个局部变量；2. 设置变量；3. return 0。

从反汇编代码来分析一下C程序执行过程，解答下面的问题。

为什么要设置栈？因为c函数要用。
栈的作用是什么？ a.保存局部变量；b.保存 lr、fp、ip、sp、pc 等寄存器的值；
调用者如何传参数给被调用者？
被调用者如何传返回值给调用者？
怎么从栈中恢复那些寄存器？

ATPCS规则

在arm中有个ATPCS规则，约定 r0 - r15 寄存器的用途。即ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb子程序调用规则）

r0 - r3: 用于调用者和被调用者之间传参数；

r4-r11: 可能被子函数使用，所以在函数的入口保存它们，在函数的出口恢复它们；

反汇编程序 led.dis ：

led.elf:     file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <_start>:
   0:   e3a0da01    mov sp, #4096   ; 0x1000
   4:   eb000000    bl  c <main>

00000008 <halt>:
   8:   eafffffe    b   8 <halt>

0000000c <main>:
   c:   e1a0c00d    mov ip, sp
  10:   e92dd800    stmdb   sp!, {fp, ip, lr, pc}
  14:   e24cb004    sub fp, ip, #4  ; 0x4
  18:   e24dd008    sub sp, sp, #8  ; 0x8
  1c:   e3a03456    mov r3, #1442840576 ; 0x56000000
  20:   e2833050    add r3, r3, #80 ; 0x50
  24:   e50b3010    str r3, [fp, #-16]
  28:   e3a03456    mov r3, #1442840576 ; 0x56000000
  2c:   e2833054    add r3, r3, #84 ; 0x54
  30:   e50b3014    str r3, [fp, #-20]
  34:   e51b2010    ldr r2, [fp, #-16]
  38:   e3a03c01    mov r3, #256    ; 0x100
  3c:   e5823000    str r3, [r2]
  40:   e51b2014    ldr r2, [fp, #-20]
  44:   e3a03000    mov r3, #0  ; 0x0
  48:   e5823000    str r3, [r2]
  4c:   e3a03000    mov r3, #0  ; 0x0
  50:   e1a00003    mov r0, r3
  54:   e24bd00c    sub sp, fp, #12 ; 0xc
  58:   e89da800    ldmia   sp, {fp, sp, pc}
Disassembly of section .comment:

00000000 <.comment>:
   0:   43434700    cmpmi   r3, #0  ; 0x0
   4:   4728203a    undefined
   8:   2029554e    eorcs   r5, r9, lr, asr #10
   c:   2e342e33    mrccs   14, 1, r2, cr4, cr3, {1}
  10:   Address 0x10 is out of bounds.

Nand 启动时，硬件机制会把 nand flash 上前 4K 的机器码拷贝到片内的 4K SDRAM上。然后从0地址开始执行。

开发板上电后，将从0地址开始执行，即开始执行：

mov sp, #4096  //:设置栈地址在4k RAM的最高处，sp=4096;
bl    c <main>  //:跳到c地址处的main函数，并保存下一行代码地址到lr，即lr=8;
mov ip, sp  //:给ip赋值sp的值，ip=sp=4096
stmdb   sp!, {fp, ip, lr, pc}  //:按高编号寄存器存在高地址，依次将pc、lr、ip、fp存入sp-4中；
sub fp, ip, #4  //：fp的值为ip-4=4096-4=4092;
sub sp, sp, #8  //:sp的值为sp-8=(4096-4x4)-8=4072;
mov r3, #1442840576  //:r3赋值0x5600 0000; 
add r3, r3, #80  //:r3的值加0x50,即r3=0x5600 0050;
str r3, [fp, #-16]  //:r3存入[fp-16]所在的地址，即地址4076处存放0x5600 0050；
mov r3, #1442840576  //：r3赋值0x5600 0000; 
add r3, r3, #84  //:r3的值加0x54,即r3=0x5600 0054;
str r3, [fp, #-20]  //:r3存入[fp-20]所在的地址，即地址4072处存放0x5600 0054；
ldr r2, [fp, #-16]  //：r2取[fp-16]地址处的值，即[4076]地址的值，r2=0x5600 0050；
mov r3, #256  //:r3赋值为0x100；
str r3, [r2]  //：将r3写到r2内容所对应的地址，即0x5600 0050地址处的值为0x100;;对应c语言*pGPFCON = 0x100;;
ldr r2, [fp, #-20]  //:r2取[fp-20]地址处的值，即[4072]地址的值，r2=0x5600 0054；
mov r3, #0  //:r3赋值为0x00；
str r3, [r2]  //:将r3写到r2内容所对应的地址，即0x5600 0054地址处的值为0x00;对应c语言*pGPFDAT = 0;
mov r3, #0  //:r3赋值为0x00；
mov r0, r3  //：r0=r3=0x00;
sub sp, fp, #12  //:sp=fp-12=4092-12=4080;
ldmia   sp, {fp, sp, pc}  //:从栈中恢复寄存器，fp=4080地址处的值=原来的fp,sp=4084地址处的值=4096，pc=4088地址处的值=8，随后跳到0x08地址处继续执行。

//注意点： 调用main函数之前sp = 4096, main函数返回后sp仍然是4096

汇编程序传递参数给C程序分析

前面的例子，汇编程序调用 main.c 并没有传递参数，这里修改下 c 程序，添加带参数的函数。

led.c:

void delay(volatile int d) //这里volatile关键字是为了避免编译器自作聪明的把delay函数优化掉. 编译器可能从逻辑上看，省掉delay函数也没什么关系。
{
    while (d--);
}

int led_on(int which)
{
    unsigned int *pGPFCON = (unsigned int *)0x56000050;
    unsigned int *pGPFDAT = (unsigned int *)0x56000054;

    if (which == 4)
    {
        /* 配置GPF4为输出引脚 */
        *pGPFCON = 0x100;
    }
    else if (which == 5)
    {
        /* 配置GPF5为输出引脚 */
        *pGPFCON = 0x400;
    }
    
    /* 设置GPF4/5输出0 */
    *pGPFDAT = 0;

    return 0;
}

start.S:

.text
.global _start

_start:

    /* 设置内存: sp 栈 */
    ldr sp, =4096  /* nand启动 */
//  ldr sp, =0x40000000+4096  /* nor启动 */

    mov r0, #4    //r0-r3:调用者和被调用者之间传参数；
    bl led_on

    ldr r0, =100000
    bl delay

    mov r0, #5
    bl led_on

halt:
    b halt

led.elf:

分析见注释：

led.elf:     file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <_start>:
   0:   e3a0da01    mov sp, #4096   ; 0x1000   //:设置栈地址在4k RAM的最高处，sp=4096;
   4:   e3a00004    mov r0, #4  ; 0x4  //:r0=4，作为参数；
   8:   eb000012    bl  58 <led_on>  //:调到58地址处的led_on函数，并保存下一行代码地址到lr，即lr=8;在led_on中会使用到r0;
   c:   e59f000c    ldr r0, [pc, #12]   ; 20 <.text+0x20>  //:r0=[pc+12]处的值=[0xc+8+12]=0x20 处的值 = 0x186a0 = 1000000，作为参数；
  10:   eb000003    bl  24 <delay> //:调用24地址处的delay函数，并保存下一行代码地址到lr，即lr=24;在delay中会使用到r0;
  14:   e3a00005    mov r0, #5  ; 0x5 //：r0=5，作为参数；
  18:   eb00000e    bl  58 <led_on> //：调到58地址处的led_on函数，并保存下一行代码地址到lr，即lr=58;在led_on中会使用到r0;

0000001c <halt>:
  1c:   eafffffe    b   1c <halt>
  20:   000186a0    andeq   r8, r1, r0, lsr #13

00000024 <delay>:
  24:   e1a0c00d    mov ip, sp
  28:   e92dd800    stmdb   sp!, {fp, ip, lr, pc}
  2c:   e24cb004    sub fp, ip, #4  ; 0x4
  30:   e24dd004    sub sp, sp, #4  ; 0x4
  34:   e50b0010    str r0, [fp, #-16]
  38:   e51b3010    ldr r3, [fp, #-16]
  3c:   e2433001    sub r3, r3, #1  ; 0x1
  40:   e50b3010    str r3, [fp, #-16]
  44:   e51b3010    ldr r3, [fp, #-16]
  48:   e3730001    cmn r3, #1  ; 0x1
  4c:   0a000000    beq 54 <delay+0x30>
  50:   eafffff8    b   38 <delay+0x14>
  54:   e89da808    ldmia   sp, {r3, fp, sp, pc}

00000058 <led_on>:
  58:   e1a0c00d    mov ip, sp
  5c:   e92dd800    stmdb   sp!, {fp, ip, lr, pc}
  60:   e24cb004    sub fp, ip, #4  ; 0x4
  64:   e24dd00c    sub sp, sp, #12 ; 0xc
  68:   e50b0010    str r0, [fp, #-16]
  6c:   e3a03456    mov r3, #1442840576 ; 0x56000000
  70:   e2833050    add r3, r3, #80 ; 0x50
  74:   e50b3014    str r3, [fp, #-20]
  78:   e3a03456    mov r3, #1442840576 ; 0x56000000
  7c:   e2833054    add r3, r3, #84 ; 0x54
  80:   e50b3018    str r3, [fp, #-24]
  84:   e51b3010    ldr r3, [fp, #-16]
  88:   e3530004    cmp r3, #4  ; 0x4
  8c:   1a000003    bne a0 <led_on+0x48>
  90:   e51b2014    ldr r2, [fp, #-20]
  94:   e3a03c01    mov r3, #256    ; 0x100
  98:   e5823000    str r3, [r2]
  9c:   ea000005    b   b8 <led_on+0x60>
  a0:   e51b3010    ldr r3, [fp, #-16]
  a4:   e3530005    cmp r3, #5  ; 0x5
  a8:   1a000002    bne b8 <led_on+0x60>
  ac:   e51b2014    ldr r2, [fp, #-20]
  b0:   e3a03b01    mov r3, #1024   ; 0x400
  b4:   e5823000    str r3, [r2]
  b8:   e51b3018    ldr r3, [fp, #-24]
  bc:   e3a02000    mov r2, #0  ; 0x0
  c0:   e5832000    str r2, [r3]
  c4:   e3a03000    mov r3, #0  ; 0x0
  c8:   e1a00003    mov r0, r3
  cc:   e24bd00c    sub sp, fp, #12 ; 0xc
  d0:   e89da800    ldmia   sp, {fp, sp, pc}
Disassembly of section .comment:

00000000 <.comment>:
   0:   43434700    cmpmi   r3, #0  ; 0x0
   4:   4728203a    undefined
   8:   2029554e    eorcs   r5, r9, lr, asr #10
   c:   2e342e33    mrccs   14, 1, r2, cr4, cr3, {1}
  10:   Address 0x10 is out of bounds.

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活死人
序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
沈念sama阅读 35,792评论 5赞 346
日本核电站爆炸内幕
正文年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
茶点故事阅读 41,455评论 3赞 331
男人毒药：我在死后第九天来索命
文/蒙蒙一、第九天我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
开封第一讲书人阅读 32,003评论 0赞 22
一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
文/苍兰香墨我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。一阵脚步声响...
开封第一讲书人阅读 33,130评论 1赞 272
情欲美人皮
我被黑心中介骗来泰国打工，没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。一个月前我还...
沈念sama阅读 48,348评论 3赞 373
代替公主和亲
正文我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
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