ARM汇编基础教程--数据类型和寄存器
来源:互联网 发布:魅族手机移动数据开关 编辑:程序博客网 时间:2024/06/06 08:38
转载自看雪:https://azeria-labs.com/arm-data-types-and-registers-part-2/
数据类型
我们可以load(或store)的数据类型包括signed/unsigned words,halfwords或者bytes。我们用“-h”或“-sh”后缀表示half words,用“-b”或“-sb”表示bytes,无后缀默认表示words。
下面是使用load和store指令操作不同类型数据的示例:
在内存中有两种存储多字节数据的方式,大端序和小端序。这两种方式的差异是数据存储时的字节顺序不同。在以小端序存储数据的设备中(如x86),位权低(个位的位权比十位低)的字节存储在低地址(地址值小的地址)。在以大端序存储数据的设备上,位权高的字节存储在低地址。
以ARMv6为例,指令是固定的以小端序存储的,而内存数据的读取方式可以通过控制程序状态寄存器CPSR的第9位实现在大端和小端之间切换。
ARM寄存器
ARM处理器的寄存器个数与ARM指令集版本有关。根据ARM手册,除了基于ARMv6-M和ARMv7-M的处理器,其它的ARM处理器都有30个32 bit的通用寄存器。前17个(原文是16个,我觉的可能是作者犯的off-by-one错误,如果理解有误,请高手指正)寄存器是在用户模式下可访问的,其它的寄存器只有在特定的运行模式下才可以访问(ARMv6-M和ARMv7-M除外,它们的架构有一些差异,有兴趣的话可以单独去学习)。在这篇教程中,我们将关注那些可以在任何运行模式下被访问的寄存器:r0~r15还有CPSR。这16个寄存器可以被分为两组:通用寄存器和专用寄存器。
下面这张表将ARM的寄存器和x86寄存器做了一个简单类比:
R0~R12(R12的使用要慎重):R0~R12是通用寄存器(R12已经不完全是了),它们可以在常规操作中使用,来存储临时变量或地址。习惯上,R0常在算数运算中作为累加器,或者存储函数的返回地址。R7常用于存储系统调用号。R11常作为栈帧指针来标记函数栈帧的边界。此外,ARM的函数调用约定规定,函数的前四个参数存储在寄存器r0~r3中。
R13:R13是堆栈指针(SP,Stack Point)。它指向堆栈的顶部。堆栈是用来存储函数局部存储的一段内存,在函数返回时回收。堆栈指针通过减去我们要分配的空间大小,来分配堆栈上的空间。比如,我们要分配一个32 bit的空间,那么就令R13减4。
R14:R14是链接寄存器(LR,Link Register)。当进行函数调用时,链接寄存器被更新为调用函数指令的下一条指令的地址。这样做可以使程序在执行完子函数之后得以返回父函数。
R15:R15是程序计数器(PC,Program Counter)。在执行指令时,PC总是自动的增加,增加的大小等于正在执行指令的长度。这个长度在ARM架构下是固定的,ARM模式是4字节,Thumb模式是2字节。当执行分支指令时,PC被更新为目的地址。需要注意的是,由于RISC CPU流水线优化的原因,在执行期间,ARM模式下PC等于当前指令地址加8,Thumb模式下等于当前指令地址加4,也就是后移两条指令。这不同于x86的EIP寄存器,总是指向当前指令的下一条指令。
下面我们通过调试器来看看PC的行为。我们使用下面的程序,先将PC保存在寄存器r0中,然后随意执行两条指令。让我们看看会发生什么:
.section .text.global _start.global _main_start: b _main_main: mov r0, pc mov r1, #2 add r2, r1, r1 bkpt
我们使用gdb远程调试(作者在这里使用了gef增强脚本,可以在https://github.com/hugsy/gef找到。
gef➤ b _mainBreakpoint 1 at 0x10058: file src/0x00pc/pc.s, line 9.gef➤ cContinuing.
你应该会看到类似下面的输出:
$r0 : 0x00000000$r1 : 0x00000000$r2 : 0x00000000$r3 : 0x00000000$r4 : 0x00000000$r5 : 0x00000000$r6 : 0x00000000$r7 : 0x00000000$r8 : 0x00000000$r9 : 0x00000000$r10 : 0x00000000$r11 : 0x00000000$r12 : 0x00000000$sp : 0xbefff740 → 0x00000001$lr : 0x00000000$pc : 0x00010058 → <_main+0> mov r0, pc$cpsr: [thumb fast interrupt overflow carry zero negative]──────────────[ source:src/0x00pc/pc.s+9 ]──────────── 5 _start: 6 b _main 7 8 _main:-> 9 mov r0, pc 10 mov r1, #2 11 add r2, r1, r1 12 bkpt0x8070 andeq r0, r0, r11
我们可以看到,PC中存储的地址为(0x10058),也就是下一条即将执行的指令地址。我们使用si命令单步执行,下一条指令中PC将被存储到寄存器r0中,届时寄存器r0的值将会是0x10058,是这样吗?
$r0 : 0x00010060 → <_main+8> add r2, r1, r1$r1 : 0x00000000$r2 : 0x00000000$r3 : 0x00000000$r4 : 0x00000000$r5 : 0x00000000$r6 : 0x00000000$r7 : 0x00000000$r8 : 0x00000000$r9 : 0x00000000$r10: 0x00000000$r11: 0x00000000$r12: 0x00000000$sp : 0xbefff740 → 0x00000001$lr : 0x00000000$pc : 0x0001005c → <_main+4> mov r1, #2$cpsr: [thumb fast interrupt overflow carry zero negative]─────────────[ source:src/0x00pc/pc.s+10 ]──────────── 6 b _main 7 8 _main: 9 mov r0, pc-> 10 mov r1, #2 11 add r2, r1, r1 12 bkpt
然而,事实并非如此。我们来看寄存器r0,我们期待的结果是调试器显示的PC的值0x10058,然而指令执行的结果表明,在指令执行时PC指向的是0x10060,相当于向后偏移两条指令的位置。产生这种差异的原因其实很简单,调试器显示的PC寄存器的值是经过处理的。下面我简单解释一下,当0x10058处的指令被执行时,PC寄存器已经指向了0x10058+0x8处的指令,这是由于CPU的流水线机制导致的。CPU取指令,解码指令和执行指令时使用的是不同的硬件部件,因此,这几个操作(实际的CPU可能更复杂,有更多的操作步骤)是可以并行执行的。因为RISC CPU的指令长度一定,所以CPU可以在解码指令之前就知道下一条指令的长度,从而在解码指令时取下一条指令,在执行指令时,对下一条指令进行解码,并取下下一条指令,这称为三级流水线。所以ARM当我们在执行0x10058处的指令时,PC已经指向0x10060处进行取指令操作了。这是硬件中真实发生的情况,而调试器为了令展示更有逻辑性,所以PC寄存器显示了当前执行指令的地址,当我们真实调试时不要受此影响。
当前程序状态寄存器
当你调试一个ARM二进制文件时,你会关心Flags。
如果你查看gef显示的寄存器信息,会发现一个特殊的寄存器$cpsr(Current Program Status Register,当前程序状态寄存器)。你可以看到其中存储了thumb、fast、interrupt、overflow、carry、zero和negative这些Flags标志位。
$sp : 0xbefff740 → 0x00000001$lr : 0x00000000$pc : 0x0001005c → <_main+4> mov r1, #2$cpsr: [thumb fast interrupt overflow carry zero negative]
thumb、fast、interrupt、overflow、carry、zero、negative这些标志位,由寄存器
上图显示了32 bit寄存器$cpsr的布局,左边是高位,右边是低位。每个单元格(除了GE、MM和空白单元格)都是1 bit。这些1 bit的标志位定义了程序当前状态的各种属性。
假设我们用cmp指令来比较1和2,结果将为负,Negative标志位被置1。因为cmp指令执行一次隐式的减法操作,1-2=-1。然而,如果我们比较2和1(和刚才相反),减法操作不借位,Carry标志位被置1。如果我们比较两个相同的数,比如2和2,那么2-2=0,在Carry标志位置1的同时,Zero标志位也被置1。可以使用如下示例程序检验上述分析。
.section .text.global _start.global _main_start: b _main_main: mov r1, #1 mov r2, #2 cmp r1, r2 cmp r2, r1 cmp r2, r2 bkpt
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