说说ARM汇编的LDR伪指令

我们知道ARM CPU中有一条被广泛使用的指令LDR，它主要是用来从存储器（确切地说是地址空间）中装载数据到通用寄存器。但不论是ARMASM还是GNU ARM AS，都提供了一条与之同名的伪指令LDR，而在实际中使用该伪指令的情况也较多，那他们有什么不同呢？下面我谈谈我的理解。

    由于我使用GNU工具链，所以以下的内容都以GNU AS的ARM语法为准。

    LDR伪指令的语法形式如下：
       LDR <reg>, = <constant-expression>

    这个常量表达式<constant-expression>中可以包含Label（在ARM汇编中Label会在连接时解释为一个常数），且其中的常数前不加#符号。

    范例demo.s：

.equ    STACK_BASE, 0x0c002000
.equ    STACK_SIZE, 0x00001000

.text
    ldr    sp, = STACK_BASE
    ldr    sl, = STACK_BASE - STACK_SIZE
    ldr    pc, = entry

    这是一个合法的汇编文件，它把堆栈基址设为0x0c002000，栈限设为0x0c001000，然后跳到entry所标识的C程序中执行。

    下面我们假设符号“entry”的地址为0x0c000000。

    我们如果把上面代码写成：

.text
    mov    sp, #0x0c002000
    mov    sl, #0x0c001000
    mov    pc, #0x0c000000

    汇编器会报错：
        demo.s: Assembler messages:
        demo.s:2: Error: invalid constant -- `mov sp,#0x0c002000'
        demo.s:3: Error: invalid constant -- `mov sl,#0x0c001000'

    说起这个错误的原因可就话长了，简而言之是因为RISC有一个重要的概念就是所有指令等长。在ARM指令集中，所有指令长度为4字节（Thumb指令是2字节）。那问题就来了，4字节是不可能同时存的下指令控制码和32位立即数的，那么我要把一个32位立即数（比如一个32位地址值）传送给寄存器该怎么办？

    RISC CPU提供一个通用的方法就是把地址值作为数据而不是代码，从存储器中相应的位置读入到寄存器中，待会我们会看到这样的例子。

    此外ARM还提供另一种方案。由于传送类指令的指令控制码部分（cond, opcode, S, Rd, Rn域）占去了20个字节，那能提供给立即数的就只剩12个位了。

    ARM并未使用这12个位来直接存一个12位立即数，而是使用了类似有效数字一样的概念，只存8个位的有效位和一个4位的位偏移量（偏移单位为2）。这个东西在ARM被叫做术语immed_8，有兴趣的人可以找资料了解一下，到处都有介绍。

    可以看出ARM的这个方法能直接使用的立即数是相当有限的，像0xfffffff0这样的数显然无法支持。别着急，ARM的传送类指令中还有一个MVN指令可以解决该问题。显然0x0000000f是一个有效立即数，MVN会先将其取反再传送，这样有效立即数的范围又扩充了一倍。

    可就算如此仍有大量的32位立即数是无效的，比如上面那个例子中的0x0c002000和0x0c001000。面对这种问题一是使用RISC的通用方法，二是分次载入。

    比如可以这样载入0x0c002000：

.text
    mov    sp, #0x0c000000
    add    sp, sp, #0x00002000

    或者：

.text
    mov    sp, #0x0c000000
    orr    sp, sp, #0x00002000

    感觉很狡猾是吧，呵呵。但是要注意它和方法一的一大区别：需要多条指令。那么在一些对指令数目有限制的场合就无法使用它，比如异常向量表处要做长跳转（超过±32MB）的话就只能用方法一；还有就是在同步事务中该操作不是原子的，因此可能需要加锁。

    扯了这么多再回到LDR伪指令上来。显然上面的内容是复杂繁琐的，如果然程序员在写程序的时候还要考虑某个数是不是immed_8一定超级麻烦，因此为了减轻程序员的负担才引入了LDR伪指令。

    你一定很好奇第一段代码demo.s被GNU AS变成了什么，好，让我们在Linux环境下执行下面的命令：
        arm-elf-as -o demo.o demo.s
        arm-elf-objdump -D demo.o

   结果：

demo.o:     file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <.text>:
   0:   e59fd004        ldr     sp, [pc, #4]    ; c <.text+0xc>
   4:   e59fa004        ldr     sl, [pc, #4]    ; 10 <.text+0x10>
   8:   e59ff004        ldr     pc, [pc, #4]    ; 14 <.text+0x14>
   c:   0c002000        stceq   0, cr2, [r0]
  10:   0c001000        stceq   0, cr1, [r0]
  14:   00000000        andeq   r0, r0, r0
Disassembly of section .data:

    由于entry还没连上目标地址，objdump反汇编会认为是0，我们先不管它。另外两条LDR伪指令变成了实际的LDR指令！但目标很奇怪，都是[pc, #4]。那好我们看看[pc, #4]是什么。

    我们知道pc中存放的是当前指令的下下条指令的位置，也就是. + 8。那么上面的第一条指令ldrsp, [pc, #4]中的pc就是0x8，pc + 4就是0xc，而[0xc]的内容正是0x0c002000；同理，第二条ldr指令也是如此。显然这里LDR伪指令采用的是RISC通用的方法。

    另外要说的是，如果LDR的是一个immed_8或者immed_8的反码数，则会直接被解释成mov或mvn指令。如ldr pc, = 0x0c000000会被解释成mov pc, 0x0c000000。

    最后一点补充，我发现arm-elf-gcc通常都用累加法。如C语句中的i = 0x100ffc04;会变成类似于以下的语句：
       mov   r0, #0x10000004
       add   r0, r0, #0x000ff000
       add   r0, r0, #0x00000c00
       ...
    原因不详。