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Linux驱动-内联汇编与ARM架构简述

2024年7月 · 预计阅读时间： 5 分钟

Linux驱动

内联汇编#

有时使用 c 语言实现一个简单的操作，对应的汇编函数可能会很复杂，因此使用内联汇编，可以在 c 语言程序中使用汇编代码。

有些特殊的算法需要我们手工优化，这时就需要手写汇编代码；或是有时需要调用特殊的汇编指令(比如使用 ldrex/strex 实现互斥访问)，这都涉及内联汇编。

直接使用汇编实现加法：

.text // 放在代码段
.global add // 实现全局函数 add
.thumb // 使用 thumb 指令, main.c 默认使用 thumb 指令, 所以这里也使用 thumb 指令
// thumb指令是2字节
add:
add r0, r0, r1
bx lr

根据 ATPCS 规则，main 函数调用 add(a, b)时，会把第一个参数存入 r0 寄存器，把第二个参数存入 r1 寄存器。在上面第 6 行里，把 r0、r1 累加后，结果存入 r0：根据 ATPCS 规则，r0 用来保存返回值。

使用内联汇编

  • asm

    也可以写作“asm”，表示这是一段内联汇编。

  • asm-qualifiers

    有 3 个取值：volatile、inline、goto。

    volatile 的意思是易变的、不稳定的，用来告诉编译器不要随便优化这段代码，否则可能出问题。其他 2 个取值我们不关心，也比较难以理解，不讲。

  • AssemblerTemplate

    汇编指令，用双引号包含起来，每条指令用“\n”分开.

    eg:

    “mov %0, %1\n”
    “add %0, %1, %2\n”

  • OutputOperands

    输出操作数，内联汇编执行时，输出的结果保存在哪里。

    格式如下，当有多个变量时，用逗号隔开：

    [ [asmSymbolicName] ] constraint (cvariablename)

    • asmSymbolicName 是符号名，随便取，也可以不写。

    • constraint 表示约束，有如下常用取值：

      constraint描述
      mmemory operand，表示要传入有效的地址，只要 CPU 能支持该地址，就可以传入
      rregister operand，寄存器操作数，使用寄存器来保存这些操作数
      iimmediate integer operand，表示可以传入一个立即数

      constraint 前还可以加上一些修饰字符，比如“=r”、“+r”、“=&r”，含义如下：

      constraint Modifier Characters描述
      =表示内联汇编会修改这个操作数，即：写
      +这个操作数既被读，也被写
      &它是一个 earlyclobber (早修改)操作数，防止它在后面的指令中被覆盖。
      这就是告诉编译器：给我分配一个单独的寄存器，别为了省事跟输入操作数用同一个寄存器。

    • cvariablename是 C 语言的变量名。

    • 示例 1

      [result] "=r" (sum)

      它的意思是汇编代码中会通过某个寄存器把结果写入 sum 变量。在汇编代码中可以使用“%[result]”来引用它。

    • 示例 2

      "=r" (sum)

      在汇编代码中可以使用“%0”、“%1”等来引用它

  • InputOperands

    [ [asmSymbolicName] ] constraint (cexpression)

    参数和上面的OutputOperands一样

    • 示例

      [a_val]"r"(a), [b_val]"r"(b)

      它的意思变量 a、b 的值会放入某些寄存器。在汇编代码中可以使用%[a_val]、%[b_val]使用它们。

  • Clobbers

    在汇编代码中，对于“OutputOperands”所涉及的寄存器、内存，肯定是做了修改。但是汇编代码中，也许要修改的寄存器、内存会更多。比如在计算过程中可能要用到 r3 保存临时结果，我们必须在“Clobbers”中声明 r3 会被修改。

    Clobbers描述
    cc表示汇编代码会修改“flags register”
    memory表示汇编代码中，除了“InputOperands”和“OutputOperands”中指定的之外，还会会读、写更多的内存

    示例

    : "r0", "r1", "r2", "r3", "r4", "r5", "memory"

ARM 架构#

参看：韦东山《裸机开发文档》第 5 章 - ARM 架构 、 汇编。

ARM 芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)

(1)ARM 架构的简单介绍#

IMX6UL 使用 Cortex-A7 架构，Cortex-A7 架构的运行模式有 9 种，分别为 User、Sys(System)、FIQ、IRQ、ABT(Abort)、SVC(Supervisor)、UND(Undef)、MON(Monitor)、Hyp 模式。

除了 User 模式属于非特权模式，其它 8 种处理器模式都是特权模式.

  • 运行模式可以通过软件进行任意切换，也可以通过中断或者异常来进行切换。
  • 大多数的程序都运行在用户模式，用户模式下是不能访问系统所有资源的，有些资源是受限的，要想访问这些受限的资源就必须进行模式切换。
  • 用户模式是不能直接进行切换的，用户模式下需要借助异常来完成模式切换，当要切换模式的时候，应用程序可以产生异常，在异常的处理过程中完成处理器模式切换。（比如，在 Linux 应用开发中使用系统调用，就是发起一个系统调用中断进入内核态，然后使用内核态下的相关系统调用处理例程）

在某种模式下，CPU 执行时使用的是这种模式的资源，这样就可以免去切换时保存上一个模式所使用的寄存器。

(2)ARMv7 架构 Cotex-A7 寄存器#

Cortex-A7 有 9 种运行模式，每一种运行模式都有一组与之对应的寄存器组，如下图：

  • 浅色字体是与 User 模式所共有的寄存器
  • 浅蓝色背景是各个模式所独有的寄存器，即在所有的模式中，低寄存器组(R0~R7)是共享同一组物理寄存器的，只是一些高寄存器组在不同的模式有自己独有的寄存器，比如 FIQ 模式下 R8~R14 是独立的物理寄存器。
  • 9 种运行模式的寄存器合计有 34 个

通用寄存器#

在 ARMv7 结构中通用寄存器有 R0-R12，共 13 个32 位通用寄存器；

在 ARMv8 结构中通用寄存器有 R0-R30，共 31 个64 位通用寄存器，其中包括了栈帧寄存器(FP)和链接寄存器 LR。

未备份寄存器#

R0~R7，因为在所有的运行模式下 R0~R7 寄存器都是相同的。

备份寄存器 R8-R12 SP LR#

  • R8~R12 寄存器有两种物理寄存器，在快速中断模式下(FIQ)它们对应着 Rx_irq(x=8~12)物理寄存器，其他模式下对应着 Rx(8~12)物理寄存器。

  • R13(SP) ，栈指针，有 8 个物理寄存器，其中一个是 User 和 Sys 模式共用的，剩下的 7 个分别对应 7 种不同的模式。

    • FP：栈顶指针，指向一个栈帧的顶部，当函数发生跳转时，会记录当时的栈的起始位置。
    • SP：栈指针（也称为栈底指针），指向栈当前的位置

    关于 gcc 就有一个关于 stack frame 的优化选项，加上该选项则忽略掉 FP 栈顶指针，（高版本默认是不加 FP 的）

  • R14(LR) ，链接寄存器，有 7 个物理寄存器，其中一个是 User、Sys 和 Hyp 模式所共有的，剩下的 6 个分别对应 6 种不同的模式

    使用 R14(LR)来存放当前子程序的返回地址，如果使用 BL 或者 BLX 来调用子函数的话，R14(LR)被设置成该子函数的返回地址，在子函数中，将 R14(LR)中的值赋给 R15(PC)即可完成子函数返回，如 mov pc,lr

程序计数器 R15(PC)#

  • 保存着当前执行指令地址值加 8

  • 因为 ARM 处理器是三级流水线：取指->译码->执行，循环执行。比如当前正在执行第一条指令的同时也对第二条指令进行译码，第三条指令也同时被取出存放在 R15(PC)中，即 R15(PC)总是指向当前正在执行指令地址再加上 2 条指令的地址。

  • 对于 32 位的 ARM 处理器，每条指令是 4 个字节，所以 R15(PC) = 当前执行指令地址 + 8 个字节

程序状态寄存器 PSR#

  • 分为当前程序状态寄存器 CPSR 与备份程序状态寄存器 SPSR。
  • 负数/正数、比较的两个数大小相等、进位、控制指令执行状态、大小端控制位等

(3)汇编#

CISC 复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer，比如 x86

RISC 精简指令集计算机，Reduced Instruction Set Computing，比如 ARM，RISC-V

ARM 芯片属于精简指令集计算机(RISC：Reduced Instruction Set Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：

  • 对内存只有读、写指令
  • 对于数据的运算是在 CPU 内部实现
  • 使用 RISC 指令的 CPU 复杂度小一点，易于设计

常用的汇编指令一般有 mov、bl/b、add/sub、ldm/stm、push/pop 等等。

mov：用于将一个寄存器的值或立即数移动到另一个寄存器，

  • 示例：MOV R0, #5 将立即数 5 移动到寄存器 R0 中。
  • 示例：MOV R1, R2 将寄存器 R2 的值移动到寄存器 R1 中。

bl: Branch with link，跳转并把返回地址记录在 LR 寄存器里

b: Branch，跳转指令。相比于 BL 指令，它并不保存下一条指令的地址到 LR 寄存器。

add：执行加法操作，将两个操作数相加，并将结果存储在目标寄存器中。如ADD RO, R1, R2

LDR（Load Register）：从内存中加载数据到寄存器。

  • 示例：LDR R0, [R1] 从寄存器 R1 指向的内存地址中加载数据到寄存器 R0 中。

STR（Store Register）：将寄存器中的数据存储到内存中。

  • 示例：STR R0, [R1] 将寄存器 R0 中的值存储到寄存器 R1 指向的内存地址中。

LDM和STM：批量加载和存储寄存器数据的指令

  • LDM{cond} base_register!, {reg_list}
    cond：条件码，表示指令在特定条件下执行。
    base_register：存储基地址的寄存器。
    reg_list：指定要加载的寄存器列表。
    !：表示最后的地址写回到base_register中。
    LDMIA R0!, {R1, R2, R3}
    从寄存器 R0 指向的内存地址开始，依次将内存中的数据加载到 R1、R2 和 R3 寄存器中。R0 会在操作后自动增加
  • STM{cond} base_register!, {reg_list}
    STMIA R0!, {R1, R2, R3}
    将寄存器 R1、R2 和 R3 中的值依次存储到寄存器 R0 指向的内存地址，并在操作后自动更新 R0。

  • 条件码：

    （1）IA:（Increase After） 每次传送后地址加 4,其中的寄存器从左到右执行,例如:STMIA R0,{R1,LR} 先存 R1,再存 LR

    （2）IB:（Increase Before）每次传送前地址加 4,同上

    （3）DA:（Decrease After）每次传送后地址减 4,其中的寄存器从右到左执行,例如:STMDA R0,{R1,LR} 先存 LR,再存 R1

    （4）DB：（Decrease Before）每次传送前地址减 4,同上

    （5）FD: 满递减堆栈 (每次传送前地址减 4)

    （6）FA: 满递增堆栈 (每次传送后地址减 4)

    （7）ED: 空递减堆栈 (每次传送前地址加 4)

    （8）EA: 空递增堆栈 (每次传送后地址加 4)

PUSH 和 POP：在 ARMv7 中，这些指令用于将寄存器的内容压入栈或从栈中弹出内容。

  • 示例：PUSH {R0, R1} 将寄存器 R0 和 R1 的值压入栈。
  • 示例：POP {R0, R1} 从栈中弹出两个值到寄存器 R0 和 R1 中。

(4)ATPCS 规则#

ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb 过程调用标准）的简称，基于 ARM 指令集和 THUMB 指令集过程调用的规范，规定了调用函数如何传递参数，被调用函数如何获取参数，以何种方式传递函数返回值。

  • 在函数中，通过寄存器 R0~R3 来传递参数，被调用的函数在返回前无需恢复寄存器 R0~R3 的内容；
  • 在函数中，通过寄存器 R4~R11 来保存局部变量；
  • 寄存器 R12 用作函数间 scratch 寄存器；

scratch 寄存器是一个临时性的寄存器，通常用于存储临时数据或中间结果。它通常不用于存储重要的数据或程序状态，而是用于临时存储一些需要在短时间内使用的数据。scratch 寄存器在计算机体系结构中起到了临时存储数据的作用，有助于提高程序的执行效率和速度。在一些处理器架构中，scratch 寄存器也可能被用于传递参数或保存临时变量。

  • 寄存器 R13 用作栈指针，记作 SP，在进入函数时的值和退出函数时的值必须相等；
  • 寄存器 R14 用作链接寄存器，记作 LR，它用于保存函数的返回地址，如果在函数中保存了返回地址，则 R14 可用作其它的用途；
  • 寄存器 R15 是程序计数器，记作 PC，它不能用作其他用途。

汇编程序如何向 C 程序的函数传递参数#

  • 当参数小于等下 4 个时，使用寄存器 R0~R3 来进行参数传递。
  • 当参数大于 4 个时，前四个参数按照上面方法传递，剩余参数传送到栈中，入栈的顺序与参数顺序相反，即最后一个参数先入栈

C 程序如何返回结果给汇编程序#

  • 结果为一个 32 位的整数时，通过寄存器 R0 返回
  • 结果为一个 64 位整数时，通过 R0 和 R1 返回，依此类推.
  • 结果为一个浮点数时，通过浮点运算部件的寄存器 f0，d0 或 s0 返回
  • 结果为一个复合的浮点数时，通过寄存器 f0-fN 或者 d0~dN 返回
  • 对于位数更多的结果，通过调用内存来传递

C 函数为何要用栈#

  • 保存现场/上下文（CPU 运行时寄存器的值）
  • 传递参数（当函数被调用并且参数大于 4 个时，（不包括第 4 个参数）第 4 个参数后面的参数就保存在栈中。）