ARM汇编（第二部分）ARM数据类型和寄存器

不念不忘少年蓝@ 2023-01-17 09:18 133阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  数据类型
 *   *  字节序
 *  ARM寄存器
 *   *  当前程序状态寄存器

https://azeria-labs.com/arm-data-types-and-registers-part-2/

# 数据类型 #

这是《 ARM Assembly Basics》教程系列的第二部分，介绍了数据类型和寄存器。

与高级语言类似，ARM支持对不同数据类型的操作。我们可以加载（或存储）的数据类型可以是有符号的和无符号的字，半字或字节。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

这些数据类型的扩展名是：-h或-sh表示半字，-b或-sb表示字节，而字无扩展名。有符号和无符号数据类型之间的区别是：

*  带符号的数据类型可以同时包含正值和负值，因此范围较小。
 *  无符号数据类型可以容纳较大的正值（包括“零”），但不能容纳负值，因此范围更广。

以下是如何将这些数据类型与“加载和存储”指令一起使用的一些示例：

ldr = Load Word
    ldrh = Load unsigned Half Word
    ldrsh = Load signed Half Word
    ldrb = Load unsigned Byte
    ldrsb = Load signed Bytes
    
    str = Store Word
    strh = Store unsigned Half Word
    strsh = Store signed Half Word
    strb = Store unsigned Byte
    strsb = Store signed Byte

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">指令</th> 
   <th align="left">全称</th> 
   <th align="left">描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">ldr</td> 
   <td align="left">load word</td> 
   <td align="left">加载一个全字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ldrh</td> 
   <td align="left">load unsigned half word</td> 
   <td align="left">加载无符号半字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ldrsh</td> 
   <td align="left">load signed half word</td> 
   <td align="left">加载有符号半字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ldrb</td> 
   <td align="left">load unsigned byte</td> 
   <td align="left">加载无符号字节</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">ldrsb</td> 
   <td align="left">load signed byte</td> 
   <td align="left">加载有符号字节</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">str</td> 
   <td align="left">store word</td> 
   <td align="left">存储字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">strh</td> 
   <td align="left">store word</td> 
   <td align="left">存储无符号半字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">strsh</td> 
   <td align="left">store word</td> 
   <td align="left">存储有符号半字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">strb</td> 
   <td align="left">store unsigned byte</td> 
   <td align="left">存储无符号字节</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">strsb</td> 
   <td align="left">store signed byte</td> 
   <td align="left">存储有符号字节</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 字节序 ##

有两种查看内存中字节的基本方法：小字节序（LE）或大字节序（BE）。区别在于对象的每个字节存储在内存中的字节顺序。在像Intel x86这样的little-endian机器上，最低有效字节存储在最低地址（最接近零的地址）上。在big-endian计算机上，最高有效字节存储在最低地址。ARM体系结构在版本3之前是低字节序的，因为那时它是双字节序的，这意味着它具有允许可切换字节序的设置。例如，在ARMv6上，指令是固定的小端形式，并且数据访问可以是小端形式，也可以是大端形式，这由程序状态寄存器（CPSR）的位9（E位）控制。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

# ARM寄存器 #

寄存器的数量取决于ARM版本。根据《 ARM参考手册》，除了基于ARMv6-M和基于ARMv7-M的处理器外，还有30个通用32位寄存器。前16个寄存器可在用户级模式下访问，其他寄存器可在特权软件执行中使用（ARMv6-M和ARMv7-M除外）。在本教程系列中，我们将使用可在任何特权模式下访问的寄存器：r0-15。这16个寄存器可以分为两组：通用寄存器和专用寄存器。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
下表仅仅是一个快速窥探到ARM寄存器怎么可能 涉及到那些在英特尔处理器。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

*  R0-R12：可以在常规操作期间用于存储临时值，指针（到存储器的位置）等。R0例如在算术操作期间可以称为累加器，或者用于存储先前调用的函数的结果。R7在处理系统调用时非常有用，因为它存储系统调用号，而R11帮助我们跟踪用作帧指针的堆栈边界（稍后将介绍）。此外，ARM上的函数调用约定指定函数的前四个参数存储在寄存器r0-r3中。
 *  R13：SP（堆栈指针）。堆栈指针指向堆栈的顶部。堆栈是用于特定于函数存储的内存区域，当函数返回时将对其进行回收。因此，通过从堆栈指针中减去我们要分配的值（以字节为单位），堆栈指针可用于在堆栈上分配空间。换句话说，如果我们要分配一个32位值，则从堆栈指针中减去4。
 *  R14：LR（链接寄存器）。进行功能调用时，链接寄存器将使用一个内存地址进行更新，该内存地址引用了从其开始该功能的下一条指令。这样做可以使程序返回到“父”函数，该子函数在“子”函数完成后启动“子”函数调用。
 *  R15：PC（程序计数器）。程序计数器自动增加执行指令的大小。在ARM状态下，此大小始终为4个字节，在THUMB模式下，此大小始终为2个字节。当执行分支指令时，PC保留目标地址。在执行期间，PC在ARM状态下存储当前指令的地址加8（两个ARM指令），在Thumb（v1）状态下存储当前指令的地址加4（两个Thumb指令）。这与x86不同，x86中PC始终指向要执行的下一条指令。

让我们看一下PC在调试器中的行为。我们使用以下程序将pc的地址存储到r0中，并包括两个随机指令。让我们看看发生了什么。

.section .text 
    .global _start 
    
    _start：
     mov r0，pc 
     mov r1，＃2
     加r2，r1，r1 
     bkpt

在GDB中，我们在\_start处设置一个断点并运行它：

gef> br _start
    Breakpoint 1 at 0x8054
    gef> run

这是我们首先看到的输出的屏幕截图：

$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 0xbefff7e0   $lr 0x00000000   $pc 0x00008054 
    $cpsr 0x00000010 
    
    0x8054 <_start> mov r0, pc     <- $pc
    0x8058 <_start+4> mov r0, #2
    0x805c <_start+8> add r1, r0, r0
    0x8060 <_start+12> bkpt 0x0000
    0x8064 andeq r1, r0, r1, asr #10
    0x8068 cmnvs r5, r0, lsl #2
    0x806c tsteq r0, r2, ror #18
    0x8070 andeq r0, r0, r11
    0x8074 tsteq r8, r6, lsl #6

我们可以看到PC保留了将要执行的下一条指令（mov r0，pc）的地址（0x8054）。现在，让我们执行下一条指令，之后R0应该保持PC的地址（0x8054），对吗？

$r0 0x0000805c   $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 0xbefff7e0   $lr 0x00000000   $pc 0x00008058 
    $cpsr 0x00000010
    
    0x8058 <_start+4> mov r0, #2       <- $pc
    0x805c <_start+8> add r1, r0, r0
    0x8060 <_start+12> bkpt 0x0000
    0x8064 andeq r1, r0, r1, asr #10
    0x8068 cmnvs r5, r0, lsl #2
    0x806c tsteq r0, r2, ror #18
    0x8070 andeq r0, r0, r11
    0x8074 tsteq r8, r6, lsl #6
    0x8078 adfcssp f0, f0, #4.0

…正确的？错误的。查看R0中的地址。尽管我们期望R0包含先前读取的PC值（0x8054），但它却保留了比我们先前读取的PC（0x805c）提前两个指令的值。从这个例子中您可以看到，当我们直接阅读PC时，它遵循PC指向下一条指令的定义。但是在调试时，PC会在当前PC值（0x8054 + 8 = 0x805C）之前指向两个指令。这是因为较旧的ARM处理器始终会在当前执行的指令之前获取两条指令。ARM保留此定义的原因是为了确保与早期处理器兼容。

## 当前程序状态寄存器 ##

使用gdb调试ARM二进制文件时，您会看到称为Flags的信息：  
![在这里插入图片描述][20210428164042584.png_pic_center]

寄存器$ cpsr显示当前程序状态寄存器（CPSR）的值，在该状态下，您可以看到标志标志，快速，中断，溢出，进位，零和负。这些标志代表CPSR寄存器中的某些位，并根据CPSR的值进行设置，并在激活时变为粗体。N，Z，C和V位与x86上EFLAG寄存器中的SF，ZF，CF和OF位相同。这些位用于支持汇编级别的条件和循环中的条件执行。我们将介绍在第6部分：条件执行和分支中使用的条件代码。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
上图显示了32位寄存器（CPSR）的布局，其中左侧（<-）保留了最高有效位，而右侧（->）保留了最低有效位。每个单个单元（GE和M部分以及空白单元除外）的大小为一位。这些一位定义了程序当前状态的各种属性。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4ODc3MTI1_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]假设我们将使用CMP指令比较数字1和2。结果将为“负”，因为1-2 = -1。当我们比较两个相等的数字（例如2与2）时，会设置Z（零）标志，因为2 – 2 =0。请记住，不会修改与CMP指令一起使用的寄存器，只会修改CPSR基于将这些寄存器相互比较的结果。

这是在GDB（已安装GEF）中的样子：在此示例中，我们比较了寄存器r1和r0，其中r1 = 4和r0 =2。这是执行cmp r1，r0操作后的标志外观：  
![在这里插入图片描述][20210428164327279.png_pic_center]

设置进位标志是因为我们使用cmp r1，r0将4与2（4 – 2）进行比较。相反，如果我们使用cmp r0，r1将较小的数字（2）与较大的数字（4）进行比较，则会设置负标志（N ）。

这是ARM信息中心的摘录：

APSR包含以下ALU状态标志：

N –当运算结果为负时设置。

Z –运算结果为零时设置。

C –当操作导致进位时置位。

V –在操作引起oVerflow时设置。

进位发生：

如果相加的结果大于或等于2 32  
如果减法的结果是正数或零  
作为移动或逻辑指令中的直列式桶形移位器操作的结果。  
如果加，减或比较的结果大于或等于2 31或小于Δ2 2 31，则会发生溢出。

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[20210428164042584.png_pic_center]: /images/20221021/f4a6bad4e1154cd4aad8d199be90ea76.png
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