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2012年(26)

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2012-05-04 15:16:55

原文地址:arm汇编align伪指令 作者:lli_njupt

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本文系作者原创, 欢迎大家转载!
转载请注明出处:netwalker.blog.chinaunix.net
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一个值得讨论的伪指令是.align,它可能在很多时候不被人注意,但是不恰当的使用将导致程序无法运行,这种可能性在ARM系统上几乎是百分之百的发生。

.align的作用在于对指令或者数据的存放地址进行对齐,有些CPU架构要求固定的指令长度并且存放地址相对于2的幂指数圆整,否则程序无法正常运行,比如ARM;有些系统却不需要,如果不遵循地址的圆整规则,程序依然可以正确执行,只是降低了一些执行效率,比如i386。.align的作用范围只限于紧跟它的那条指令或者数据,而接下来的指令或者数据的地址由上一条指令的地址和其长度决定。这里给出一个很好的用来测试.align作用的例子,首先在i386上进行测试。

 

  1. .section .text #定义代码段
  2. data:
  3. .byte 0x11
  4. .align 2
  5. .globl _start
  6. _start:
  7. movl data, %ebx
  8. movl $1, %eax
  9. int $0x80

 

这个程序没有实际的应用意义。为了防止编译出的目标文件中不同的段均从0开始而看不到.align的效果,这里只定义一个代码段,.byte数据将被编译进代码段,_start中的第一条指令将紧跟在0x11数据之后,我们使用 as -o test.o test.S && objdump -D test.o来查看反汇编的结果:

 

  1. Disassembly of section .text:
  2. 00000000 :
  3. 0: 11 8d 76 00 bb 00 adc %ecx,0xbb0076(%ebp)
  4. 00000004 <_start>:
  5. 4: bb 00 00 00 00 mov $0x0,%ebx
  6. 9: a1 00 00 00 00 mov 0x0,%eax
  7. e: cd 80 int $0x80

objdump尝试将代码段中的所有二进制数据当作指令解析,所以不要关心非代码段反汇编后的指令adc %ecx,0xbb0076(%ebp)。我们需要关心的是mov $0x0,%ebx所在的地址4,显然它和.align指定的4可以除尽,也即相对齐于4的倍数的地址。为了作一比较,移除.align 4,得到以下的反汇编结果,显然此时的第一条mov指令的对齐地址是1。

 

  1. Disassembly of section .text:
  2. 00000000 :
  3. 0: 11 bb 00 00 00 00 adc %edi,0x0(%ebx)
  4. 00000001 <_start>:
  5. 1: bb 00 00 00 00 mov $0x0,%ebx
  6. 6: a1 00 00 00 00 mov 0x0,%eax
  7. b: cd 80 int $0x80

 

对于i386编译器来说.align的参数4直接指明了对齐地址的圆整目标,汇编器总是要找到下一个可以整除该参数的地址作为.align后的那条指令的存放地址。.align参数的取值必须是2的幂指数,2^0到2^31都是合法的,而其它的值将会遭遇编译错误的提示:

  1. # as -o test.o test.S
  2. test.S: Assembler messages:
  3. test.S:4: Error: alignment not a power of 2

对于ARM编译器来说.align的用法和i386有相当大的差异,这也就是.align被混乱使用的根本原因。将上面的汇编程序改成ARM平台的汇编语言后的结果如下:

 

  1. .section .test
  2. data:
  3. .byte 0x11
  4. .align 2

  5. .global _start
  6. _start:
  7.  mov r0, #data
  8.  mov r7, #1
  9.  svc 0x00000000

 

与它对应的反编译结果如下:

 

  1. # arm-linux-as asm.S -o asm.o && arm-linux-objdump -D asm.o
  2. ......
  3. Disassembly of section .test:

  4. 00000000 <data>:
  5.    0:    00000011     .word    0x00000011
  6.     ...

  7. 00000010 <_start>:
  8.   10:    e3a00000     mov    r0, #0    ; 0x0
  9.   14:    e3a07001     mov    r7, #1    ; 0x1
  10.   18:    ef000000     svc    0x00000000
  11.   1c:    00000000     andeq    r0, r0, r0
  12. Disassembly of section .ARM.attributes:
  13. ......

出乎意料的是mov r0,4 #0指令的地址是0x10,也即16,不是4。ARM汇编器并不直接使用.align提供的参数作为对齐目标,而是使用2^n的值,比如这里的参数为4,那么圆整对象为2^4 = 16。这也就是为什么在ARM平台的Uboot或者Linux内核汇编中会出现.align 5的根本原因。.align此时的取值范围为0-15,当取值为0,2或者不提供参数时均圆整于4。如果尝试使用大于15的值,将会得到编译器的如下抱怨:

 

  1. # arm-linux-as asm.S -o asm.o
  2. asm.S: Assembler messages:
  3. asm.S:4: Error: alignment too large: 15 assumed

另一点需要注意的是:ARM尝试使用0来填充.byte占用的一个字(ARM平台为4bytes)中剩余的比特位,但是其余的字将会用nop指令填充,这一点与i386也是不同的。以上的讨论关注于目标文件.o,而非最终的可执行文件,一个对于链接器的猜疑是它会不会改变我们的圆整目标,庆幸的是它不会,它会找到当前.o文件中的最大圆整值,并且以它的倍数偏移。由ARM支持非对齐地址的访问,所以指定指令的对齐即可保证程序的正确执行,但要保证程序的访问效率,对数据的对齐也是尤为重要。

如果分析过Uboot,可能会遇到类似.balignl的操作,对于是用如此生僻指令的开发习惯,这并不是好的做法,除非是迫不得已,否则它可以用更通用的指令代替。.balignl指令是.balign指令的变体,一个完整的指令是格式如下:

 

  1. .balign[wl] align, fill_value, max_padding

.balign的所有参数均是可选的,align参数类细雨.align伪指令参数,但是这里它直接作为对齐参数,类似于i386平台的.align参数。fill_value用来填充空白字节的值,没有提供该参数,默认将是用nop指令填充。max_padding指定了最多可填充的字节数,如果实际需要填充的字节数大于该值那么整个.balign伪指令将失效。.balign使用字节来填充,比如.balign 4,0x10;.balignw使用双字节来填充,比如.balignw 4,0x1122;.balignl使用四字节来填充,比如.balignl 4,0x11223344。注意所有需要填充的字节数必须是[wl]参数指定的整倍数,否则将遭遇汇编器的抱怨:

 

  1. .byte 0x11
  2. .balignl 16,0x33445566

  3. .global _start
  4. _start:
  5.  mov r7, #1
  6.  swi 0x0000000

  7. # arm-linux-as arm.S -o arm.o
  8. arm.S: Assembler messages:
  9. arm.S:3: Error: alignment padding (15 bytes) not a multiple of 4
  10. arm.S:3: Error: alignment padding (15 bytes) not a multiple of 4

为了保证整倍数关系,如果删除.byte 0x11或者改成如下代码,抱怨将消失:

 

  1. .byte 0x11
  2. .ascii "123"
  3. .balignl 16,0x33445566

  4. .global _start
  5. _start:
  6.  mov r7, #1
  7.  swi 0x0000000

  8. # arm-linux-as arm.S -o arm.o
注意 .ascii和.asciz的区别是,.asciz会在字符串后自动添加结束符\0.

参考资源:

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