系统总结ARM基础

一

ARM汇编

一般的我们的电脑都是X86架构的机器，这里我们使用clang来对我们的文件进行编译，自己编译文件，放入ida中对照着学习更容易理解一点。

二

关于clang的一些指令：

使用clang直接编译成可执行文件

//将我们的文件编译成ARMv5架构的文件（32位）
clang -target armv-linux-android21 demo.c -o demo
//将我们的文件编译成ARMv7-A架构的文件 (32位)
clang -target armv7a-linux-android21 demo.c -o demo
//将我们的文件编译成AArch64 架构的文件（64位）
clang -target aarch64-linux-android21 1.cpp -o demo

分开步骤进行编译

预处理

clang -target arm-linux-android21 -E demo.c -o demo.i

编译（生成汇编文件）

clang -target arm-linux-android21eabi -S demo.i -o demo.s

汇编（生成未资源重定位的二进制文件）

clang -target arm-linux-android21eabi -S demo.s -o demo.o

链接（生成可执行文件）

clang -target arm-linux-android21eabi -S demo.o -o demo

clang编译thumb架构的文件

clang -target arm-linux-android21 -S -mthumb demo.c -o demo.s

针对于ARM与thumb的区别

我们学习ARM架构的时候，我们常常会听说从arm状态转为thumb状态。这里记录一下龙去脉。

随着ARM架构的发展，在许多方面都有所用到，但是我们ARM的指令集都是32位，或者64位的，随着手机等设备对32位处理器需求的不断增加，功耗和成本都变得十分关键。如何减少程序占用空间大小的问题亟待解决，这个时候，arm公司就推出了ARM7TDMI处理器，在其上面就能支持了16位指令集，即thumb。thumb出现的目的是实现更高的代码密度，本质上是对我们的ARM指令的扩充。

ARM处理器具有从ARM状态到Thumb状态和从Thumb状态到ARM状态的无缝转换能力，可以根据需要动态切换指令集。

一些区别：

◆ARM 指令集提供了完整的 32 位指令，用于执行各种操作，包括算术运算、逻辑操作、数据传输等。而thumb没有很完整的指令集，有些情况下需要切换到arm下进行执行。

◆thumb现在来说一般是16, 32位的指令集，而ARM现在一般是32，64位的指令。

总得来说，thumb就是实现一个更高性能，更高代码密度的ARM指令分支。

三

ARM寄存器

Arm-v7架构

ARM共有37个寄存器，都是32位长度的寄存器（具体可以看后面的工作模式图）。

37个寄存器中其中前31个（0~30）是通用寄存器（模式不同，使用的时候有所区别），最后2个(31,32)是专用寄存器（sp 寄存器和 pc 寄存器)。5个固定用作5种异常模式下的SPSR。

◆CPSR：当前程序状态寄存器，通常不直接操作，除非进行异常处理或任务切换。

◆SPSR：在异常处理中使用，保存异常发生时的CPSR值。

通用寄存器

ARM架构的通用寄存器是用于执行大多数指令的寄存器，可存储临时数据、地址和中间计算结果。

R0-R12：通用目的寄存器

◆R0-R3 通常用作指令操作数，传递函数参数和返回值。

◆R4-R11 通常用作局部变量存储，称为"callee-saved"寄存器，函数使用前需保存值，返回前需恢复。

◆R12 有时称为Intra-Procedure-call scratch register（IP），在某函数调用约定中用作临时存储。FP：栈帧基址寄存器，即R12

R13 (SP)：堆栈指针寄存器

◆SP 指向当前栈顶，管理函数调用参数传递、局部变量存储和返回地址。

R14 (LR)：链接寄存器

◆LR 存储子程序调用返回地址。执行BL（Branch and Link）指令时，将PC当前值保存到LR，函数执行完毕后返回调用点。

R15 (PC)：程序计数器

◆PC 存储下一条将执行指令的地址。执行分支指令时，PC更新为新地址。

CPSR (Current Program Status Register)

CPSR寄存器包含当前程序状态信息，包括：

◆条件标志位：零标志(Z)，负标志(N)，进位标志(C)，溢出标志(V)，通常在算术或逻辑操作后自动设置，用于条件分支指令。

◆控制位：中断禁用位(I)和快速中断禁用位(F)，用于控制中断使能状态。

◆模式位：指示当前CPU操作模式，如用户模式、系统模式、中断模式等。

SPSR (Saved Program Status Register)

异常发生（如中断）时，当前CPSR自动保存到SPSR，以便异常处理后恢复先前状态。每种异常模式有自己的SPSR。

关于ARM-V8架构

通用寄存器

Arm-v8架构有31个通用寄存器X0-X30 (64位长），而Arm-v7架构仅有16个通用寄存器R0-R15（32位长）。

特殊用途寄存器（X8, X16~X18, X29, X30）:（了解）

◆X8：间接结果寄存器。用来保存间接结果的地址。

◆子程序内部调用寄存器，ip寄存器（Intra-Procedure-Call Temporary Registers），IP0与IP1，可被Veneers（实现Arm/Thumb状态切换）。或是用于在子程序调用前，作为存储中间值的临时寄存器。使用时不需要保存。

◆x18：平台寄存器（Platform Register），用于保存当前所用的平台的ABI=

◆x29：帧指针寄存器（FP），用于连接栈帧，使用时必须保存。

◆x30：链接寄存器（LR），用于保存子程序的返回地址。

寄存器的访问方式

64寄存器总的来说有两种不同的使用，一种就是当原本的64位的寄存器来访问，另一种就是为了兼容32位，将64位寄存器拆成32位的寄存器来使用

通用寄存器的访问方式有2种：

◆当作 32位寄存器的时候，使用 W0 ~ W30 来引用它们。（数据保存在寄存器的低32位）

◆当作 64位 寄存器的时候，使用 X0 ~ X30 来引用它们。

对于一些专用寄存器的访问方式:

栈帧指针寄存器:32位，使用 WSP 来引用，64位，使用 SP 来引用。

零寄存器:32位，使用 WZR 来引用，64位，使用 ZR 来引用。

四

ARM处理器几种工作模式

用户模式 (User Mode):

正常程序执行的默认模式。

快速中断模式 (FIQ Mode)

用于处理快速中断请求，有额外的寄存器以减少中断服务例程的执行时间。

普通中断模式 (IRQ Mode)

用于处理普通的中断请求。

管理模式 (Supervisor Mode)

用于操作系统的内核级别操作，通常在系统启动或系统调用时进入。

未定义模式 (Undefined Mode)

当执行了未定义的指令时进入此模式。在异常或中断发生时，处理器会自动切换到相应的模式，并使用该模式下的寄存器集。

中止模式 (Abort Mode)

当发生数据或指令预取中止时进入此模式。

系统模式 (System Mode)

用于运行操作系统的内核代码，与用户模式共享相同的寄存器。

五

ARM架构下的函数调用约定

ARM 架构下常见的函数调用约定有两种：

AAPCS（ARM Architecture Procedure Call Standard）

AAPCS-VFP（ARM Architecture Procedure Call Standard with the Vector Floating-Point extension）

AAPCS：

AAPCS 是 ARM 架构的默认函数调用约定，适用于大多数 ARM 架构的编译器和操作系统。它定义了函数参数的传递方式、栈的使用规则以及寄存器的分配方式。

◆参数传递：函数的前几个参数（通常是 R0、R1、R2、R3）通过寄存器传递，而剩余的参数通过栈传递。参数的传递顺序是从左到右。

◆栈的使用：栈用于保存局部变量、临时变量和函数调用过程中的状态。栈的增长方向是从高地址向低地址。

◆寄存器的分配：除了用于参数传递的寄存器，还有一些寄存器被用作临时寄存器或保存特定的值，如栈指针（SP）、链接寄存器（LR）和程序计数器（PC）等。

◆堆栈的管理由被调用的函数负责。具体来说，堆栈的管理包括参数的压栈、局部变量的分配和释放、以及函数调用过程中的保存和恢复寄存器等。

AAPCS-VFP：

AAPCS-VFP 是在 AAPCS 的基础上添加了向量浮点扩展（Vector Floating-Point extension）的函数调用约定。它适用于需要使用浮点运算的函数。

◆浮点参数传递：浮点参数通过浮点寄存器传递，通常是 S0、S1、S2、S3 等。如果参数个数超过了浮点寄存器的数量，剩余的参数通过栈传递。

◆浮点寄存器的使用：除了用于浮点参数传递的寄存器，还有一些寄存器被用作临时寄存器或保存特定的值，如浮点链接寄存器（LR）和浮点状态寄存器（FPSCR）等。

六

汇编指令

ARM中的寻址方式：

寄存器寻址

将 R2 中的值移动到 R1 中。

mov r1, r2

立即寻址

将 0xFF00 立即数移动到 R0 中。

mov r0, #0xFF00

寄存器移位寻址

将 R1 左移 3 位的结果移动到 R0 中。

mov r0, r1, lsl #3

寄存器间接寻址

将 R2 指向的地址中的值加载到 R1 中。

ldr r1, [r2] //r1=*r2

基址变址寻址

将 R2 加上 4 所得的地址中的值加载到 R1 中。

ldr r1, [r2, #4] ; r1=*(r2+4)

多寄存器寻址

将 R1 中的值加载到 R2-R7 和 R12 中，然后将 R1 加上 32。

ldmia r1!, {r2-r7, r12}

堆栈寻址

将 R2-R7、LR 的值存储到堆栈中，然后将 SP 减去 24。

stmfd sp!, {r2-r7, lr}

相对寻址

如果条件码为 EQ，则跳转到标签 flag 处。

beq flag
flag:

汇编常用的指令

跳转指令

B 强制跳转

B label //无条件跳转到标签 label 处

BL 带返回的跳转，将返回地址放入LR寄存器中

BL label //跳转到标签 label 处，并将返回地址存储在 LR 中

BLX 带返回和带状态的切换跳转指令 arm → thumb

BLX label //跳转到标签 label 处，并将返回地址存储在 LR 中。可以实现 ARM 和 Thumb 之间的切换

Bx 带状态的跳转

BX R1 // 跳转到地址存储在 R1 中的位置，并切换到相应的指令集模式

数据处理指令

mov 赋值

MOV R0, R1 //将 R1 中的值赋值到 R0 中。

ADD 加

ADD R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值相加，然后将结果存储到 R0 中。

SUB 减

SUB R0, R1, R2 //

AND与

AND R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值进行按位与操作，然后将结果存储到 R0 中。

EOR：异或

EOR R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值进行按位异或操作，然后将结果存储到 R0 中。

ORR：或

ORR R0, R1, R2 //将 R1 和 R2 中的值进行按位或操作，然后将结果存储到 R0 中。

BIC：与非 , 可以实现的 Bit Clear的功能

BIC R0, R1, #0xf //将 R1 和立即数 #0xf 进行按位与非操作，然后将结果存储到 R0 中。

//将R1 低4位清0

乘法指令：

MUL 一般乘法：

MUL r0 r1,r2 //r0 = r1 * r2 乘法

MLA 带加法的乘法:

MLA r0,r1,r2,r3 //r0 = r1 * r2 + r3 带加法的乘法

由于32位寄存器 没有办法存64位的大数，因此需要两个寄存器来存储，64位的乘法操作就会发送改变

SMULL 64位乘法:

SMULL r0,r1 ,r2 ,r3 // r0 = (r2 * r3)的低32位 r1 = (r2 * r3)的高32位

SMLAL 64位带加法的乘法

SMLAL r0,r1 ,r2 ,r3 //r0 = (r2 * r3)的低32位 + r0 r1 = (r2 * r3)的高32位 + r1

UMULL 64位无符号乘法

UMULL r0,r1 ,r2 ,r3 // r0 = (r2 * r3)的低32位 r1 = (r2 * r3)的高32位

UMLAL 64位无符号带加法的乘法

UMLAL r0,r1 ,r2 ,r3 //r0 = (r2 * r3)的低32位 + r0 r1 = (r2 * r3)的高32位 + r1

移位操作：

LSL：逻辑左移指令，将寄存器中的值向左移动指定的位数，移动时右侧空出的位补零。

LSL R0, R1, #2 // 将 R1 中的值左移 2 位，结果存储到 R0 中

LSR：逻辑右移指令，将寄存器中的值向右移动指定的位数，移动时左侧空出的位补零。

LSR R0, R1, #3 // 将 R1 中的值右移 3 位，结果存储到 R0 中

ROR：循环右移指令，将寄存器中的值向右移动指定的位数，移动时左侧空出的位补上右侧的位。

ROR R0, R1, #4 // 将 R1 中的值循环右移 4 位，结果存储到 R0 中

ASR：算术右移指令，将寄存器中的值向右移动指定的位数，移动时左侧空出的位补上符号位。

ASR R0, R1, #5 // 将 R1 中的值算术右移 5 位，结果存储到 R0 中

RRX：扩展的循环右移指令，将寄存器中的值向右移动一位，同时将 C 标志位的值作为最低位插入到左侧。

RRX R0, R1 // 将 R1 中的值扩展的循环右移 1 位，结果存储到 R0 中

内存访问指令：

为什么会分别有加载指令和存储指令？

ARM汇编采用RISC架构，CPU本身并不能直接的读取内存，而是需要先将内存中的内存加载进入CPU通用寄存器之中，才能被我们的CPU进行处理。

ldr 读取

ldr r0,=0x12 //将0x12赋值给r0
ldr r0, .lable1 //获得.lable1的地址，存储在r0之中
ldr r0,[r3] // r0 = *r3
ldr r0,[r3,#4] // r0 = *(r3 + 4)
ldr r0,[r3,r2,LSL #2] // r0 = *(r3+(r2 << 2))

str 存储

STR R0，[R1]，＃8 // 将R0中的字数据写入以R1为地址的存储器中，并将新地址R1＋8写入R1。
STR R0，[R1，＃8] // 将R0中的字数据写入以R1＋8为地址的存储器中。”
STR R1, [r0] // 将r1寄存器的值，传送到地址值为r0的（存储器）内存中

ldr与 str 指令的后缀与变种

在32位中会读4个字节 在64位中会读8个字节
读取
ldr
ldrb //读一个字节 一个字节的读取
ldrh //读一个数 两个字节的读取
ldm //批量进行处理 （根据一些组合有着不同的方式，后面写）

存储
str //四字节写入
strb //一个字节写入
strh //两个字节写入
stm // 批量处理

比较寄存器指令

CMP  比较两个操作数的值

CMP r1, #10 ; 比较寄存器 r1 的值和立即数 10
BGT label ; 如果 r1 的值大于 10，则跳转到 label 处

CMN比较两个操作数的值的补码

CMN r2, #5 ; 比较寄存器 r2 的值的补码和立即数 5
BLE label ; 如果 r2 的补码值小于或等于 5，则跳转到 label 处

TST 将两个操作数进行按位与运算，并根据结果设置条件码。

TST r3, #0xFF ; 检查寄存器 r3 的低八位是否全部为 1
BEQ label ; 如果 r3 的低八位全为 1，则跳转到 label 处

TEQ 将两个操作数进行按位异或运算，并根据结果设置条件码。

TEQ r4, #0x80 ; 检查寄存器 r4 的值和立即数 0x80 的异或结果
BNE label ; 如果 r4 的值与 0x80 异或后不为零，则跳转到 label 处

比较值指令

堆栈的指令组合后缀

四种栈的类型：

空栈：栈指针指向空位，每次存入时可以直接存入然后栈指针移动一格；而取出时需要先移动一格才能取出。

满栈：栈指针指向栈中最后一格数据，每次存入时需要先移动栈指针一格再存入；取出时可以直接取出，然后再移动栈指针。

增栈:栈指针移动时向地址增加的方向移动的栈。

减栈:栈指针移动时向地址减小的方向移动的栈。

针对此衍生出了8种后缀：

ia（increase after:先传输，再地址+4

ib（increase before: 先地址+4，再传输

da（decrease after: 先传输，再地址-4

db（decrease befor: 先地址-4，再传输

fd（full decrease）:满递减堆栈

ed（empty decrease）:空递减堆栈

fa：满递增堆栈

ea：空递增堆栈

在理解的时候我们就可以将其拆开理解，比如LDMIA 就是LDM IA 两部分理解一些例子：

从地址 r0 开始读取 4 个字（word），分别存储到 r1-r4 寄存器中，然后将地址 r0 增加 4。

LDMIA r0!, {r1-r4}

将地址 r0 增加 4，然后从新地址开始读取 3 个字，分别存储到 r1-r3 寄存器中。

LDMIB r0, {r1-r3}

从地址 r0 开始读取 2 个字，分别存储到 r1-r2 寄存器中，然后将地址 r0 减少 4，并将读取的最后一个字存储到 lr 寄存器中。

STMFD sp!, {r1-r3, lr}

将 r1-r3 寄存器中的数据存储到地址 sp 指向的存储器中，然后将 sp 减少 16（4 个字），并将 lr 寄存器中的数据存储到新的地址 sp 指向的存储器中。

LDMDB r0!, {r1-r2, lr}

指令中！的作用

一般的，当感叹号 "!" 出现在寄存器名称后面时，就表示在执行指令后会更新该寄存器的值。如果没有！，表示执行指令前不更新该寄存器的值。

ldmia r0, {r2 - r3}
ldmia r0！, {r2 - r3}

这里感叹号的作用就是r0的值在ldm过程中发生的增加或者减少最后写回到r0去，第二句的ldm时会改变r0的值，而第一句，没有!，运行之后不会更新 r0 的值。

指令中^的作用

^的作用：在目标寄存器中有pc时，会同时将spsr写入到cpsr，一般用于从异常模式返回。

ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}
ldmfd sp!, {r0 - r6, pc}^

汇编不同写法，对于寄存器的改变(先算括号）

偏移量方法

LDR R0,[R1, #4]

实现的操作：

r0= *(r1 + 4)

事先更新

LDR R0,[R1, #4]!

实现的操作：

r0 = *（r1 + 4)

r1 = r1 +4

事后更新:

LDR R0,[R1], #4

实现的操作：

r0=*r1
r1=r1+4

看雪ID：二木先生

https://bbs.kanxue.com/user-home-979211.htm

*本文为看雪论坛优秀文章，由 二木先生 原创，转载请注明来自看雪社区

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