ARMv8汇编基础介绍

在嵌入式Linux开发过程中会经常遇到空指针等内核的Oops报错，会打印一些寄存器的值及调用栈。

当遇到如上情况，那大概率是要上汇编了。涉及到objdump命令反汇编vmlinux或者对应的.o文件用来分析定位问题点。此文章围绕ARMv8上的汇编基础知识展开介绍。

反汇编指得到汇编代码，反编译是指得到对应语言的源代码。

1 寄存器

[    9.795823] PC is at rs485_do_tasklet+0x8c/0x11c
[    9.795827] LR is at rs485_do_tasklet+0x64/0x11c
[    9.795829] pc : [<ffffff800861c4ec>] lr : [<ffffff800861c4c4>] pstate: 60400145
[    9.795831] sp : ffffffc07c95bc60
[    9.795835] x29: ffffffc07c95bc60 x28: 0000000000000006
[    9.795838] x27: ffffff8009064018 x26: 000000000000000a
[    9.795842] x25: 0000000000000100 x24: 0000000000000000
[    9.795845] x23: ffffffc07b5ee170 x22: 0000000000000000
[    9.795849] x21: ffffff80096bf730 x20: ffffff800944d000
[    9.795852] x19: 0000000000000060 x18: 0000000000000004
[    9.795855] x17: 0000007f9e5111c8 x16: ffffff8008215018
[    9.795859] x15: 0000000000000001 x14: ffffff8008e355ab
[    9.795862] x13: 0000000000000003 x12: 0000000000000000
[    9.795865] x11: ffffffc07f305c90 x10: 0000000000000aa0
[    9.795869] x9 : 0000200000000000 x8 : 0000000000000001
[    9.795872] x7 : 0000000008000000 x6 : 0000200000000000
[    9.795876] x5 : 0000000000000000 x4 : 000000000001c200
[    9.795879] x3 : 0000000000000000 x2 : 0000000000000000
[    9.795882] x1 : ffffffc07c95bca8 x0 : 0000000000000130

1.1 通用寄存器

ARMv8存在31个64位通用寄存器。

31 个通用寄存器r0 ~ r30，每个寄存器可以存取一个 64位大小的数。当使用 x0 - x30访问时，是一个 64位的数；当使用 w0 - w30访问时，是一个 32 位的数，访问的是寄存器的 低 32 位，如图：

特殊寄存器

sp： (Stack Pointer)，栈顶寄存器，用于保存栈顶地址；
fp(x29)： (Frame Pointer)，为栈基址寄存，用于保存栈底地址；
lr(x30)： (Link Register) ，保存调用跳转指令 bl 指令的下一条指令的内存地址；
pc：保存将要执行的指令的地址。

2 指令

指令读取

在 arm64 架构中，每个指令读取都是 64 位，即 8字节空间。

arm64 约定（一般来说）

x0 ~ x7 分别会存放方法的前 8 个参数；如果参数个数超过了8个，多余的参数会存在栈上，新方法会通过栈来读取。
方法的返回值一般都在 x0 上；如果方法返回值是一个较大的数据结构时，结果会存在 x8 执行的地址上。

2.1 指令介绍

mov： 将某一寄存器的值复制到另一寄存器（只能用于寄存器与寄存器或者寄存器与常量之间传值，不能用于内存地址），如：
```
mov x1, x0 							; 将寄存器 x0 的值复制到寄存器 x1 中 
```

add： 将某一寄存器的值和另一寄存器的值相加并将结果保存在另一寄存器中，如：

add x0, x0, #1 					; 将寄存器 x0 的值和常量 1 相加后保存在寄存器 x0 中 
add x0, x1, x2 					; 将寄存器 x1 和 x2 的值相加后保存到寄存器 x0 中 
add x0, x1, [x2] 				; 将寄存器 x1 的值加上寄存器 x2 的值作为地址，再取该内存地址的内容放入寄存器 x0 中 

sub： 将某一寄存器的值和另一寄存器的值相减并将结果保存在另一寄存器中，如：
```
sub x0, x1, x2 					; 将寄存器 x1 和 x2 的值相减后保存到寄存器 x0 中 
```
mul：将某一寄存器的值和另一个寄存器的值相乘并将结果保存在另一寄存器中，如：
```
mul x0, x1, x2  				; 将寄存器 x1 和 x2 的值相乘后结果保存到寄存器 x0 中
```
sdiv：（有符号数，对应 udiv: 无符号数）将某一寄存器的值和另一个寄存器的值相除并将结果保存在另一寄存器中，如：
```
sdiv x0, x1, x2 				; 将寄存器 x1 和 x2 的值相除后结果保存到寄存器 x0 中
```
and： 将某一寄存器的值和另一寄存器的值 按位与 并将结果保存到另一寄存器中，如：
```
and x0, x0, #0xf 				; 将寄存器 x0 的值和常量 0xf 按位与后保存到寄存器 x0 中 
```
orr： 将某一寄存器的值和另一寄存器的值 按位或 并将结果保存到另一寄存器中，如：
```
orr x0, x0, #9 					; 将寄存器 x0 的值和常量 9 按位或后保存到寄存器 x0 中
```
eor： 将某一寄存器的值和另一寄存器的值 按位异或 并将结果保存到另一寄存器中，如：
```
eor x0, x0, #0xf 				; 将寄存器 x0 的值和常量 0xf 按位异或后保存到寄存器 x0 中 
```

str： (store register) 将寄存器中的值写入到内存中，如：

str w9, [sp, #0x8] 			; 将寄存器 w9 中的值保存到栈内存 [sp + 0x8] 处 

strb： (store register byte) 将寄存器中的值写入到内存中（只存储一个字节），如：
```
strb w8, [sp, #7]				; 将寄存器 w8 中的低 1 字节的值保存到栈内存 [sp + 7] 处 
```

ldr： (load register) 将内存中的值读取到寄存器中，如：

ldr x0, [x1] 						; 将寄存器 x1 的值作为地址，取该内存地址的值放入寄存器 x0 中 
ldr w8, [sp, #0x8] 			; 将栈内存 [sp + 0x8] 处的值读取到 w8 寄存器中 
ldr x0, [x1, #4]! 			; 将寄存器 x1 的值加上 4 作为内存地址, 取该内存地址的值放入寄存器 x0 中, 然后将寄存器 x1 的值加上 4 放入寄存器 x1 中 
ldr x0, [x1], #4 				; 将寄存器 x1 的值作为内存地址，取内该存地址的值放入寄存器 x0 中, 再将寄存器 x1 的值加上 4 放入寄存器 x1 中 
ldr x0, [x1, x2] 				; 将寄存器 x1 和寄存器 x2 的值相加作为地址，取该内存地址的值放入寄存器 x0 中 

ldrsb： (load register byte) 将内存中的值（只读取一个字节）读取到寄存器中，如：
```
ldrsb	w8, [sp, #7]			; 将栈内存 [sp + 7] 出的 低 1 字节的值读取到寄存器 w8 中
```
stur：同 str 将寄存器中的值写入到内存中（一般用于 负 地址运算中），如：
```
stur w10, [x29, #-0x4] 	; 将寄存器 w10 中的值保存到栈内存 [x29 - 0x04] 处 	
```
ldur： 同 ldr 将内存中的值读取到寄存器中（一般用于 负 地址运算中），如：
```
ldur w8, [x29, #-0x4]   ; 将栈内存 [x29 - 0x04] 处的值读取到 w8 寄存器中
```

stp： 入栈指令（str 的变种指令，可以同时操作两个寄存器），如：

stp x29, x30, [sp, #0x10] 	; 将 x29, x30 的值存入 sp 偏移 16 个字节的位置 

ldp： 出栈指令（ldr 的变种指令，可以同时操作两个寄存器），如：

ldp x29, x30, [sp, #0x10] 	; 将 sp 偏移 16 个字节的值取出来，存入寄存器 x29 和寄存器 x30 

scvtf： (Signed Convert To Float)带符号 定点数 转换为 浮点数，如：

scvtf	d1, w0			; 将寄存器 w0 的值(顶点数，转化成 浮点数) 保存到 向量寄存器/浮点寄存器 d1 中

fcvtzs：(Float Convert To Zero Signed)浮点数 转化为 定点数 （舍入为0），如：

fcvtzs w0, s0			; 将向量寄存器 s0 的值(浮点数，转换成 定点数)保存到寄存器 w0 中

cbz： 和 0 比较（Compare），如果结果为零（Zero）就转移（只能跳到后面的指令），如：

cbz  x8, loc_1800b4530	; 将寄存器 x8 的值和 0 比较，如果结果为 “0” 则跳转到 ‘loc_1800b4530’ 标签处开始指令

cbnz： 和非 0 比较（Compare），如果结果非零（Non Zero）就转移（只能跳到后面的指令），如：

cbnz  x9, loc_1800b4530	; 将寄存器 x9 的值和 0 比较，如果结果为 “非 0” 则跳转到 ‘loc_1800b4530’ 标签处开始指令

cmp： 比较指令，相当于 subs，影响程序状态寄存器 CPSR ;

cset：比较指令，满足条件，则并置 1，否则置 0 ，如：

cmp	 w8, #2    	; 将寄存器 w8 的值和常量 2 进行比较
cset w8, gt			; 如果是大于(grater than)，则将寄存器 w8 的值设置为 1，否则设置为 0

LSL： 逻辑左移
LSR： 逻辑右移
ASR： 算术右移
ROR： 循环右移
adrp： 用来定位数据段中的数据用, 因为 aslr 会导致代码及数据的地址随机化, 用 adrp 来根据 pc指针做辅助定位。指令计算出指定标签的地址的页表基地址，并将这个基地址的高20位加载到目标寄存器中。由于 ARMv8 架构采用了 4KB 对齐的页表（Page），因此 adrp 指令的目的是为了加载目标标签所在页面的起始地址，而不是标签本身的地址。
b：（branch）跳转到某地址（无返回）, 不会改变 lr (x30) 寄存器的值；一般是本方法内的跳转，如 while 循环，if else 等，如：
```
b	LBB0_1				; 直接跳转到标签 ‘LLB0_1’ 处开始执行
```
bl： 跳转到某地址（有返回），先将下一指令地址（即函数返回地址）保存到寄存器 lr (x30)中，再进行跳转；一般用于不同方法直接的调用，如：
```
bl 0x100cfa754	; 先将下一指令地址（‘0x100cfa754’ 函数调用后的返回地址）保存到寄存器 ‘lr’ 中，然后再调用 ‘0x100cfa754’ 函数
```
blr： 跳转到 某寄存器 (的值)指向的地址（有返回），先将下一指令地址（即函数返回地址）保存到寄存器 lr (x30)中，再进行跳转；如：
```
blr x20					; 先将下一指令地址（‘x20’指向的函数调用后的返回地址）保存到寄存器 ‘lr’ 中，然后再调用 ‘x20’ 指向的函数
```
br： 跳转到某寄存器(的值)指向的地址（无返回）, 不会改变 lr (x30) 寄存器的值。
brk: 可以理解为跳转指令特殊的一种。
ret： 子程序（函数调用）返回指令，返回地址已默认保存在寄存器 lr (x30) 中

3 实际案例分析

每个函数调用，都会有入栈和出栈操作。

编写一个Demo程序，实现打印字符串，如下：

//test.c
#include <stdio.h>

void TestPushAndPop()
{
    printf("Push an Pop !");
}	

使用gcc编译成汇编文件：aarch64-linux-gnu-gcc -S -o test.s test.c

; test.s
        .arch armv8-a	;架构
        .file   "test.c"	;文件名称
        .text	
        .section        .rodata	;数据放到只读数据段
        .align  3	;2^3对齐，8字节对齐
.LC0:
        .string "Push an Pop !"	;存储了一个字符串常量
        .text 
        .align  2
        .global TestPushAndPop ;全局符号
        .type   TestPushAndPop, %function
TestPushAndPop: #label
        stp     x29, x30, [sp, -16]! ;入栈指令 将x29,x30中的值存入sp(栈底)地址减16byte的位置 
        add     x29, sp, 0	;将当前栈指针 sp 的值赋给寄存器 x29，即建立当前栈帧。
        adrp    x0, .LC0 ;获取.LC0的基地址，并将这个基地址的高20位加载到目标寄存器x0中。
        add     x0, x0, :lo12:.LC0
        bl      printf	;调用 printf 函数，将寄存器 x0 中保存的字符串地址作为参数传递给 printf 函数。
        nop	;空操作，用于占位，没有实际作用。
        ldp     x29, x30, [sp], 16  ; 将栈中的值取出存放到x29, x30
        ret	;返回
        .size   TestPushAndPop, .-TestPushAndPop
        .ident  "GCC: (Ubuntu/Linaro 7.5.0-3ubuntu1~18.04) 7.5.0"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

注意：对栈的分配/释放操作只会对栈指针做加减法, 而不会对栈内存中的内容做任何修改(也不会把释放的栈空间设置为 0)。