連接圖
由于在實(shí)驗(yàn)一中已經(jīng)配置好Acadia的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，所以這次直接插上網(wǎng)線，使用ssh進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄。
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h1>
- 深入理解ARM指令和Thumb指令的區(qū)別和編譯選項(xiàng)；
- 深入理解某些特殊的ARM指令，理解如何編寫C代碼來得到這些指令；
- 深入理解ARM的BL指令和C函數(shù)的堆棧保護(hù)；
- 深入理解如何實(shí)現(xiàn)C和匯編函數(shù)的互相調(diào)用。
實(shí)驗(yàn)步驟
1. arm與thumb指令集
經(jīng)過查閱gcc的編譯選項(xiàng)，找到了編譯為arm的編譯指令-marm以及編譯為thumb的編譯指令-mthumb。
使用程序驗(yàn)證如下，
root@Acadia:~/tmp/hello# cat hello.c
#include<stdio.h>
#include<time.h>
int hello(){
printf("Hello Acadia! At %lu\n", time(NULL));
}
int main(){
hello();
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/hello# gcc hello.c -marm -o arm.out
root@Acadia:~/tmp/hello# gcc hello.c -mthumb -o thumb.out
root@Acadia:~/tmp/hello# ll *.out
-rwxr-xr-x 1 root root 7856 Mar 26 10:44 arm.out*
-rwxr-xr-x 1 root root 7856 Mar 26 10:45 thumb.out*
root@Acadia:~/tmp/hello# echo disas hello | gdb arm.out > arm_hello.s
root@Acadia:~/tmp/hello# echo disas hello | gdb thumb.out > thumb_hello.s
root@Acadia:~/tmp/hello# vimdiff thumb_hello.s arm_hello.s
vimdiff兩個(gè)文件的結(jié)果
首先，測(cè)試程序中調(diào)用了內(nèi)部的函數(shù)hello，同時(shí)也調(diào)用了外部函數(shù)printf以及time。而通過gcc編譯后，兩個(gè)文件大小無差異，故不能從中直接獲知是否為不同指令集的文件。
此時(shí)，需要使用gdb反匯編hello，進(jìn)行比較后方可以看出生成程序的不同。測(cè)試命令中使用echo是為了命令的清晰，并且容易使用輸出重定向比較結(jié)果。
程序之間最大的區(qū)別是在函數(shù)主體部分。主要區(qū)別有幾點(diǎn)：
- thumb的指令地址一次只增加2，即每條指令只占16位。相對(duì)的，arm每個(gè)地址增加4，每條指令占位32位。
- thumb的指令集訪問寄存器 r8 ~ r15 受到一定限制，所以在thumb程序中可以看出，使用的是r7寄存器代替了arm程序中的r11寄存器。
- thumb程序可以調(diào)用arm指令集的函數(shù)庫，但是地址跳轉(zhuǎn)需要使用blx進(jìn)行指令集轉(zhuǎn)換。而arm程序直接使用bl跳轉(zhuǎn)即可。
2. arm上的條件命令
root@Acadia:~/tmp/if# cat if.c
#include <stdio.h>
int main(){
int n, m;
scanf("%d", &m);
if (m > 32){
n = 5;
}else{
n = 1;
}
printf("%d\n", n);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/if# gcc if.c -marm -o if.out -O2
...
root@Acadia:~/tmp/if# echo disas main | gdb if.out > if_main.s
root@Acadia:~/tmp/if# cat if_main.s
...
(gdb) Dump of assembler code for function main:
0x00008374 <+0>: push {lr} ; (str lr, [sp, #-4]!)
0x00008378 <+4>: sub sp, sp, #12
0x0000837c <+8>: add r1, sp, #4
0x00008380 <+12>: ldr r0, [pc, #40] ; 0x83b0 <main+60>
0x00008384 <+16>: bl 0x835c <__isoc99_scanf> ; r0 = "%d", r1 = &m, 調(diào)用scanf
0x00008388 <+20>: ldr r2, [sp, #4]
0x0000838c <+24>: mov r0, #1
0x00008390 <+28>: ldr r1, [pc, #28] ; 0x83b4 <main+64>
0x00008394 <+32>: cmp r2, #32 ; 執(zhí)行if命令，使用cmp后條件賦值
0x00008398 <+36>: movle r2, r0
0x0000839c <+40>: movgt r2, #5
0x000083a0 <+44>: bl 0x8350 <__printf_chk> ; r2直接傳入printf進(jìn)行輸出
0x000083a4 <+48>: mov r0, #0
0x000083a8 <+52>: add sp, sp, #12
0x000083ac <+56>: pop {pc}
0x000083b0 <+60>: andeq r8, r0, r4, lsl #9
0x000083b4 <+64>: andeq r8, r0, r8, lsl #9
End of assembler dump.
(gdb) quit
可以看出，if指令被編譯成了3條指令，即cmp, movle, movgt分別用以條件賦值。其中，mov為基礎(chǔ)指令，后方跟著的le表示小于等于，gt表示大于。
3. 設(shè)計(jì) C 的代碼場(chǎng)景,觀察是否產(chǎn)生了寄存器移位尋址
root@Acadia:~/tmp/shift# cat shift.c
#include <stdio.h>
int main(){
int a;
scanf("%d", &a);
a = a * 9;
printf("%d\n", a);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/shift# gcc shift.c -marm -O2 -o shift.out
root@Acadia:~/tmp/shift# echo disas main | gdb shift.out > shift_main.s
root@Acadia:~/tmp/shift# cat shift_main.s
...
(gdb) Dump of assembler code for function main:
0x00008374 <+0>: push {lr} ; (str lr, [sp, #-4]!)
0x00008378 <+4>: sub sp, sp, #12
0x0000837c <+8>: add r1, sp, #4
0x00008380 <+12>: movw r0, #33920 ; 0x8480
0x00008384 <+16>: movt r0, #0
0x00008388 <+20>: bl 0x835c <__isoc99_scanf>
0x0000838c <+24>: ldr r2, [sp, #4]
0x00008390 <+28>: mov r0, #1
0x00008394 <+32>: movw r1, #33924 ; 0x8484
0x00008398 <+36>: movt r1, #0
0x0000839c <+40>: add r2, r2, r2, lsl #3 ; a = a * 9 = a << 3 + a
0x000083a0 <+44>: str r2, [sp, #4]
0x000083a4 <+48>: bl 0x8350 <__printf_chk>
0x000083a8 <+52>: mov r0, #0
0x000083ac <+56>: add sp, sp, #12
0x000083b0 <+60>: pop {pc}
由于9在二進(jìn)制中表示為1001，所以使用移位加法的方式能夠很好得避過消耗較大的乘法操作。此時(shí)add中使用的就是寄存器移位尋址功能。
4. 設(shè)計(jì) C 的代碼場(chǎng)景,觀察一個(gè)復(fù)雜的 32 位數(shù)是如何裝載到寄存器的
root@Acadia:~/tmp/loadword# cat loadword.c
#include <stdio.h>
int main(){
int a = 2123456789;
printf("%d\n", a);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/loadword# gcc loadword.c -O2 -marm -o loadword.out
root@Acadia:~/tmp/loadword# echo disas main | gdb loadword.out > loadword_main.s
root@Acadia:~/tmp/loadword# cat loadword_main.s
...
(gdb) Dump of assembler code for function main:
0x00008320 <+0>: push {r3, lr}
0x00008324 <+4>: mov r0, #1
0x00008328 <+8>: movw r1, #33808 ; 0x8410
0x0000832c <+12>: movw r2, #24853 ; 0x6115 ; r2 = 0x00006115
0x00008330 <+16>: movt r1, #0
0x00008334 <+20>: movt r2, #32401 ; 0x7e91 ; r2 = 0x7e916115
0x00008338 <+24>: bl 0x8308 <__printf_chk>
0x0000833c <+28>: mov r0, #0
0x00008340 <+32>: pop {r3, pc}
使用計(jì)算器，可以求得2123456789 = 0x7E916115。所以，代碼中的movw與movt分別將低位與高位載入寄存器中進(jìn)行運(yùn)算。而r1的movw主要是提供了printf的第一個(gè)操作數(shù)即格式字符串的位置。
5. 寫一個(gè) C 的多重函數(shù)調(diào)用的程序,觀察和分析
- 調(diào)用時(shí)的返回地址在哪里?
- 傳入的參數(shù)在哪里?
- 本地變量的堆棧分配是如何做的?
- 寄存器是 caller 保存還是 callee 保存?是全體保存還是部分保存?
root@Acadia:~/tmp/func# cat func.c
#include <stdio.h>
int fibo(int n){
if (n <= 1) return 1;
return fibo(n-2) + fibo(n-1);
}
int main(){
int a;
scanf("%d", &a);
a = fibo(a);
printf("%d\n", a);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/func# vim func.c
root@Acadia:~/tmp/func# gcc func.c -O2 -marm -o func.out
...
root@Acadia:~/tmp/func# echo disas main | gdb func.out > func_main.s
root@Acadia:~/tmp/func# echo disas fibo | gdb func.out > func_fibo.s
root@Acadia:~/tmp/func# cat func_fibo.s
...
(gdb) Dump of assembler code for function fibo:
0x00008434 <+0>: cmp r0, #1
0x00008438 <+4>: push {r3, r4, r5, lr}
0x0000843c <+8>: ble 0x8468 <fibo+52> ; n <= 1 直接退出并返回1
0x00008440 <+12>: sub r4, r0, #2
0x00008444 <+16>: mov r5, #0
0x00008448 <+20>: mov r0, r4
0x0000844c <+24>: sub r4, r4, #1 ; r4 = r0 - 1 即 r4 = n - 1
0x00008450 <+28>: bl 0x8434 <fibo>
0x00008454 <+32>: cmn r4, #1 ; r4 -= 1, 即r4 = n - 2
0x00008458 <+36>: add r5, r5, r0
0x0000845c <+40>: bne 0x8448 <fibo+20> ; 尾遞歸優(yōu)化
0x00008460 <+44>: add r0, r5, #1
0x00008464 <+48>: pop {r3, r4, r5, pc}
0x00008468 <+52>: mov r0, #1
0x0000846c <+56>: pop {r3, r4, r5, pc}
root@Acadia:~/tmp/func# cat func_main.s
...
(gdb) Dump of assembler code for function main:
0x00008374 <+0>: push {lr} ; (str lr, [sp, #-4]!)
0x00008378 <+4>: sub sp, sp, #12
0x0000837c <+8>: add r1, sp, #4
0x00008380 <+12>: movw r0, #33988 ; 0x84c4
0x00008384 <+16>: movt r0, #0
0x00008388 <+20>: bl 0x835c <__isoc99_scanf>
0x0000838c <+24>: ldr r0, [sp, #4]
0x00008390 <+28>: bl 0x8434 <fibo> ; 調(diào)用fibo函數(shù)
0x00008394 <+32>: movw r1, #33992 ; 0x84c8
0x00008398 <+36>: movt r1, #0
0x0000839c <+40>: mov r3, r0
0x000083a0 <+44>: mov r0, #1
0x000083a4 <+48>: mov r2, r3
0x000083a8 <+52>: str r3, [sp, #4]
0x000083ac <+56>: bl 0x8350 <__printf_chk>
0x000083b0 <+60>: mov r0, #0
0x000083b4 <+64>: add sp, sp, #12
0x000083b8 <+68>: pop {pc}
End of assembler dump.
(gdb) quit
a. 程序的返回地址在調(diào)用的時(shí)候默認(rèn)存入lr寄存器，而在函數(shù)內(nèi)為了保證返回結(jié)果的正確性，將其push進(jìn)堆棧中。而后在函數(shù)結(jié)束的時(shí)候，將其pop至pc寄存器實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)返回。
b. 從fibo函數(shù)中看出，r0為函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)。而在參數(shù)少于4個(gè)的時(shí)候，使用寄存器r0~r4傳遞參數(shù)。
c. 本地變量的堆棧分配使用push操作將原本的寄存器值存在堆棧中，當(dāng)返回時(shí)再pop出來。而從 push {lr} === str lr, [sp, #-4]可以看出，堆棧是自頂向下伸展的。
d. 寄存器的值是collee保存。因?yàn)橥獠空{(diào)用者不知道內(nèi)部函數(shù)所需要的寄存器，保存也就無從談起。
而函數(shù)內(nèi)部用到的所有寄存器均會(huì)被保存，因?yàn)楹瘮?shù)內(nèi)部并不知道外部會(huì)使用哪些寄存器。
6. MLA 是帶累加的乘法,嘗試要如何寫 C 的表達(dá)式能編譯得到 MLA 指令。
root@Acadia:~/tmp/mla# cat mla.c
#include <stdio.h>
int main(){
int a, tot;
scanf("%d %d", &a, &tot);
tot += a * a;
printf("%d\n", tot);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/mla# gcc mla.c -marm -O2 -o mla.out
...
root@Acadia:~/tmp/mla# echo disas main | gdb mla.out > mla_main.s
root@Acadia:~/tmp/mla# cat mla_main.s
...
(gdb) Dump of assembler code for function main:
0x00008374 <+0>: push {lr} ; (str lr, [sp, #-4]!)
0x00008378 <+4>: sub sp, sp, #12
0x0000837c <+8>: add r2, sp, #4
0x00008380 <+12>: movw r0, #33932 ; 0x848c
0x00008384 <+16>: mov r1, sp
0x00008388 <+20>: movt r0, #0
0x0000838c <+24>: bl 0x835c <__isoc99_scanf>
0x00008390 <+28>: ldr r2, [sp, #4]
0x00008394 <+32>: ldr r3, [sp]
0x00008398 <+36>: mov r0, #1
0x0000839c <+40>: movw r1, #33940 ; 0x8494
0x000083a0 <+44>: movt r1, #0
0x000083a4 <+48>: mla r3, r3, r3, r2 ; tot += a * a => r3 = r3 * r3 + r2
0x000083a8 <+52>: mov r2, r3
0x000083ac <+56>: str r3, [sp, #4]
0x000083b0 <+60>: bl 0x8350 <__printf_chk>
0x000083b4 <+64>: mov r0, #0
0x000083b8 <+68>: add sp, sp, #12
0x000083bc <+72>: pop {pc}
End of assembler dump.
(gdb) quit
值得一提的是，在不使用-O2選項(xiàng)的情況下，編譯的結(jié)果并不含mla。由此可見，代碼優(yōu)化的一種方式是將程序指令盡可能的貼合CPU，手動(dòng)編寫功能的運(yùn)行效率較低。
7. BIC是對(duì)某一個(gè)比特清零的指令，嘗試要如何寫 C 的表達(dá)式能編譯得到 BIC 指令。
root@Acadia:~/tmp/bic# cat bic.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(){
int a, b;
scanf("%d %d", &a, &b);
a &= ~b;
printf("%d\n", a);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/bic# gcc bic.c -marm -O2 -o bic.out
...
root@Acadia:~/tmp/bic# echo disas main | gdb bic.out > bic_main.s
root@Acadia:~/tmp/bic# cat bic_main.s
...
(gdb) Dump of assembler code for function main:
0x00008374 <+0>: push {lr} ; (str lr, [sp, #-4]!)
0x00008378 <+4>: sub sp, sp, #12
0x0000837c <+8>: add r2, sp, #4
0x00008380 <+12>: movw r0, #33928 ; 0x8488
0x00008384 <+16>: mov r1, sp
0x00008388 <+20>: movt r0, #0
0x0000838c <+24>: bl 0x835c <__isoc99_scanf>
0x00008390 <+28>: ldr r3, [sp]
0x00008394 <+32>: ldr r2, [sp, #4]
0x00008398 <+36>: mov r0, #1
0x0000839c <+40>: movw r1, #33936 ; 0x8490
0x000083a0 <+44>: movt r1, #0
0x000083a4 <+48>: bic r2, r3, r2 ; a &= ~b
0x000083a8 <+52>: str r2, [sp]
0x000083ac <+56>: bl 0x8350 <__printf_chk>
0x000083b0 <+60>: mov r0, #0
0x000083b4 <+64>: add sp, sp, #12
0x000083b8 <+68>: pop {pc}
End of assembler dump.
(gdb) quit
bic指令將某些由標(biāo)示數(shù)指定的bit清零，其原理是通過將標(biāo)示數(shù)進(jìn)行取反后取and，即所有原本在標(biāo)示數(shù)中為1的位，經(jīng)過取反之后為0。通過and操作，將所有的0位覆蓋至目標(biāo)，同時(shí)卻又不覆蓋其他bit的值。
8. 編寫一個(gè)匯編函數(shù)。
編寫要求：接受一個(gè)整數(shù)和一個(gè)指針做為輸入，指針?biāo)笐?yīng)為一個(gè)字符串，該匯編函數(shù)調(diào)用C語言的 printf()函數(shù)輸出這個(gè)字符串的前n個(gè)字符，n即為那個(gè)整數(shù)。在C語言寫的main()函數(shù)中調(diào)用并傳遞參數(shù)給這個(gè)匯編函數(shù) 來得到輸出。
root@Acadia:~/tmp/asm# cat cutprint.S
.global cutprint
cutprint:
push {R5, R6, R7, lr}
MOV R5, R0
MOV R6, R1
MOV R7, #0 ; 首先，將r0, r1保存起來，同時(shí)將計(jì)數(shù)器r7置零
CMP R7, R6
BGE exit ; 如果r7大于r6的話，直接返回，因?yàn)閞6必定是負(fù)數(shù)
begin:
LDR R0, =char ; 由于函數(shù)返回值在r0的位置，所以每次調(diào)用玩函數(shù)，"%c"就會(huì)被覆蓋，需要再載入一次
LDR R1, [R5, R7] ; 根據(jù)字符串以及r7計(jì)數(shù)器的下標(biāo)，載入字符
CMP R1, #0 ; 如果遇到了c風(fēng)格字符串結(jié)尾'\0'，直接跳出循環(huán)
BEQ exit
bl printf
ADD R7, R7, #1 ; 計(jì)數(shù)器+1
CMP R7, R6
BLT begin ;判斷是否循環(huán)結(jié)束，未結(jié)束則跳到begin進(jìn)行下一輪循環(huán)
exit:
LDR R0, =newline ; 輸出結(jié)束換行
bl printf
MOV R0, R7 ; 把輸出的計(jì)數(shù)器作為返回值
pop {R5, R6, R7, pc}
.data
char: .asciz "%c"
newline: .asciz "\n"
root@Acadia:~/tmp/asm# cat cutprint.c
#include <stdio.h>
extern int cutprint(char*, int);
int main(){
int a;
char s[100];
scanf("%s %d", s, &a);
a = cutprint(s, a);
printf("Print %d character.\n", a);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/asm# gcc cutprint.c cutprint.S -o cutprint -g -marm
root@Acadia:~/tmp/asm# ./cutprint
123456789 -1
Print 0 character.
root@Acadia:~/tmp/asm# ./cutprint
123456789 5
12345
Print 5 character.
root@Acadia:~/tmp/asm# ./cutprint
123456789 19999
123456789
Print 9 character.
其中，cutpinrt.s的程序邏輯類似如下：
int cutprint(cahr *s, int a){
int i = 0;
for (i; i<a; i++)
printf(“%c”, s[i]);
return i;
}
9. 編寫測(cè)試程序，測(cè)試ARM指令和Thumb指令的執(zhí)行效率
root@Acadia:~/tmp/speed# cat speed.c
#include <stdio.h>
int fibo(int n){
if (n <= 1) return 1;
return fibo(n - 2) + fibo(n - 1);
}
int main(){
int a;
scanf("%d", &a);
printf("%d\n", fibo(a));
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/speed# gcc speed.c -marm -o arm.out
root@Acadia:~/tmp/speed# gcc speed.c -mthumb -o thumb.out
root@Acadia:~/tmp/speed# echo 40 > speed.in
root@Acadia:~/tmp/speed# time ./arm.out < speed.in
165580141
real 0m5.951s
user 0m5.940s
sys 0m0.000s
root@Acadia:~/tmp/speed# time ./thumb.out < speed.in
165580141
real 0m6.425s
user 0m6.400s
sys 0m0.010s
root@Acadia:~/tmp/speed# gcc speed.c -marm -o arm.out -O2
...
root@Acadia:~/tmp/speed# gcc speed.c -mthumb -o thumb.out -O2
...
root@Acadia:~/tmp/speed# time ./arm.out < speed.in
165580141
real 0m2.190s
user 0m2.180s
sys 0m0.000s
root@Acadia:~/tmp/speed# time ./thumb.out < speed.in
165580141
real 0m3.988s
user 0m3.990s
sys 0m0.000s
root@Acadia:~/tmp/speed# gcc speed.c -marm -o arm.out -O3
...
root@Acadia:~/tmp/speed# gcc speed.c -mthumb -o thumb.out -O3
...
root@Acadia:~/tmp/speed# time ./arm.out < speed.in
165580141
real 0m2.520s
user 0m2.510s
sys 0m0.000s
root@Acadia:~/tmp/speed# time ./thumb.out < speed.in
165580141
real 0m2.723s
user 0m2.710s
sys 0m0.010s
程序中，主要消耗時(shí)間的地方在于fibo(40)的遞歸調(diào)用，可以看出，thumb整體而言還是偏慢的，但是如果開了編譯優(yōu)化之后，差別不會(huì)過大。
10. 編寫測(cè)試程序，測(cè)試使用帶條件的ARM指令和不使用時(shí)的執(zhí)行效率。
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# cat noif.S
.global add
add:
CMP R0, #0
ADD R0, R0, R1
MOV pc, lr
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# cat useif.S
.global add
add:
CMP R0, #0
ADDNE R0, R0, R1
MOV pc, lr
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# cat test.c
#include <stdio.h>
extern int add(int, int);
int main(){
int a, b, i, times;
scanf("%d %d %d", &a, &b, ×);
for (i=0; i<times; i++)
a = add(a, b);
printf("%d\n", a);
return 0;
}
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# cat testif.in
1 2 20000000
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# gcc useif.S test.c -o useif -g -marm -O2
...
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# gcc noif.S test.c -o noif -g -marm -O2
...
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# time ./useif < testif.in
40000001
real 0m0.254s
user 0m0.240s
sys 0m0.010s
root@Acadia:~/tmp/ifspeed# time ./noif < testif.in
40000001
real 0m0.259s
user 0m0.240s
sys 0m0.010s
經(jīng)過多次比對(duì)，雖然時(shí)間略有波動(dòng)。但是總體而言，兩程序執(zhí)行時(shí)間基本沒有區(qū)別，即ADDNE與ADD的執(zhí)行基本沒有時(shí)間差。
