v22.03 鸿蒙内核源码分析(汇编基础篇) | CPU在哪里打卡上班? | 百篇博客分析OpenHarmony源码

原创
2021/01/22 15:54
阅读数 1.1W

子曰:“君子坦荡荡,小人长戚戚。” 《论语》:述而篇

在这里插入图片描述

百篇博客系列篇.本篇为:

v22.xx 鸿蒙内核源码分析(汇编基础篇) | CPU在哪里打卡上班

硬件架构相关篇为:

公众号: 鸿蒙内核源码分析

本篇通过拆解一段很简单的汇编代码来快速认识汇编,为读懂鸿蒙汇编打基础.系列篇后续将逐个剖析鸿蒙的汇编文件.

汇编很简单

  • 第一: 要认定汇编语言一定是简单的,没有高深的东西,无非就是数据的搬来搬去,运行时数据主要待在两个地方:内存和寄存器。寄存器是CPU内部存储器,离运算器最近,所以最快.

  • 第二: 运行空间(栈空间)就是CPU打卡上班的地方,内核设计者规定谁请CPU上班由谁提供场地,用户程序提供的场地叫用户栈,敏感工作CPU要带回公司做,公司提供的场地叫内核栈,敏感工作叫系统调用,系统调用的本质理解是CPU要切换工作模式即切换办公场地。

  • 第三:CPU的工作顺序是流水线的,它只认指令,而且只去一个地方(指向代码段的PC寄存器)拿指令运算消化。指令集是告诉外界我CPU能干什么活并提供对话指令,汇编语言是人和CPU能愉快沟通不拧巴的共识语言。一一对应了CPU指令,又能确保记性不好的人类能模块化的设计idea, 先看一段C编译成汇编代码再来说模块化。

square(c -> 汇编)

//编译器: armv7-a clang (trunk)
//++++++++++++ square(c -> 汇编)++++++++++++++++++++++++
int square(int a,int b){
    return a*b;
}
square(int, int):
        sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给square分配栈空间,只用2个栈空间完成计算
        str     r0, [sp, #4]   @第一个参数入栈
        str     r1, [sp]       @第二个参数入栈
        ldr     r1, [sp, #4]   @取出第一个参数给r1
        ldr     r2, [sp]       @取出第二个参数给r2
        mul     r0, r1, r2     @执行a*b给R0,返回值的工作一直是交给R0的
        add     sp, sp, #8     @函数执行完了,要释放申请的栈空间
        bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处

fp(c -> 汇编)

//++++++++++++ fp(c -> 汇编)++++++++++++++++++++++++
int fp(int b)
{
    int a = 1;
    return square(a+b,a+b);
}
fp(int):
        push    {r11, lr}      @r11(fp)/lr入栈,保存调用者main的位置
        mov     r11, sp        @r11用于保存sp值,函数栈开始位置 
        sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给fp分配栈空间,只用2个栈空间完成计算
        str     r0, [sp, #4]   @先保存参数值,放在SP+4,此时r0中存放的是参数
        mov     r0, #1         @r0=1
        str     r0, [sp]       @再把1也保存在SP的位置
        ldr     r0, [sp]       @把SP的值给R0
        ldr     r1, [sp, #4]   @把SP+4的值给R1
        add     r1, r0, r1     @执行r1=a+b
        mov     r0, r1         @r0=r1,用r0,r1传参
        bl      square(int, int)@先mov lr, pc 再mov pc square(int, int)   
        mov     sp, r11        @函数执行完了,要释放申请的栈空间 
        pop     {r11, lr}      @弹出r11和lr,lr是专用标签,弹出就自动复制给lr寄存器
        bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处

main(c -> 汇编)

//++++++++++++ main(c -> 汇编)++++++++++++++++++++++++
int main()
{
    int sum = 0;
    for(int a = 0;a < 100; a++){
        sum = sum + fp(a);
    }
    return sum;
}
main:
        push    {r11, lr}      @r11(fp)/lr入栈,保存调用者的位置
        mov     r11, sp        @r11用于保存sp值,函数栈开始位置
        sub     sp, sp, #16    @sp减去16,意思为给main分配栈空间,只用4个栈空间完成计算
        mov     r0, #0         @初始化r0
        str     r0, [r11, #-4] @执行sum = 0
        str     r0, [sp, #8]   @sum将始终占用SP+8的位置
        str     r0, [sp, #4]   @a将始终占用SP+4的位置
        b       .LBB1_1        @跳到循环开始位置
.LBB1_1:                       @循环开始位置入口
        ldr     r0, [sp, #4]   @取出a的值给r0
        cmp     r0, #99        @跟99比较
        bgt     .LBB1_4        @大于99,跳出循环 mov pc .LBB1_4
        b       .LBB1_2        @继续循环,直接 mov pc .LBB1_2
.LBB1_2:                       @符合循环条件入口
        ldr     r0, [sp, #8]   @取出sum的值给r0,sp+8用于写SUM的值
        str     r0, [sp]       @先保存SUM的值,SP的位置用于读SUM值
        ldr     r0, [sp, #4]   @r0用于传参,取出A的值给r0作为fp的参数
        bl      fp(int)        @先mov lr, pc再mov pc fp(int)
        mov     r1, r0         @fp的返回值为r0,保存到r1
        ldr     r0, [sp]       @取出SUM的值
        add     r0, r0, r1     @计算新sum的值,由R0保存
        str     r0, [sp, #8]   @将新sum保存到SP+8的位置
        b       .LBB1_3        @无条件跳转,直接 mov pc .LBB1_3
.LBB1_3:                       @完成a++操作入口
        ldr     r0, [sp, #4]   @SP+4中记录是a的值,赋给r0
        add     r0, r0, #1     @r0增加1
        str     r0, [sp, #4]   @把新的a值放回SP+4里去
        b       .LBB1_1        @跳转到比较 a < 100 处
.LBB1_4:                       @循环结束入口
        ldr     r0, [sp, #8]   @最后SUM的结果给R0,返回值的工作一直是交给R0的
        mov     sp, r11        @函数执行完了,要释放申请的栈空间
        pop     {r11, lr}      @弹出r11和lr,lr是专用标签,弹出就自动复制给lr寄存器
        bx      lr             @子程序返回,跳转到lr处等同于 MOV PC, LR

代码有点长,都加了注释,如果能直接看懂那么恭喜你,鸿蒙内核的6个汇编文件基于也就懂了。这是以下C文件全貌

文件全貌

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int square(int a,int b){
    return a*b;
}

int fp(int b)
{
    int a = 1;
    return square(a+b,a+b);
}

int main()
{
    int sum = 0;
    for(int a = 0;a < 100; a++){
        sum = sum + fp(a);
    }
    return sum;
}

代码很简单谁都能看懂,代码很典型,具有代表性,有循环,有判断,有运算,有多级函数调用。编译后的汇编代码基本和C语言的结构差不太多, 区别是对循环的实现用了四个模块,四个模块也好理解: 一个是开始块(LBB1_1), 一个符合条件的处理块(LBB1_2),一个条件发生变化块(LBB1_3),最后收尾块(LBB1_4).

按块逐一剖析.

先看最短的那个

int square(int a,int b){
    return a*b;
}
//编译成
square(int, int):
        sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给square分配栈空间,只用2个栈空间完成计算
        str     r0, [sp, #4]   @第一个参数入栈
        str     r1, [sp]       @第二个参数入栈
        ldr     r1, [sp, #4]   @取出第一个参数给r1
        ldr     r2, [sp]       @取出第二个参数给r2
        mul     r0, r1, r2     @执行a*b给R0,返回值的工作一直是交给R0的
        add     sp, sp, #8     @函数执行完了,要释放申请的栈空间
        bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处

首先上来一句 sub sp, sp, #8 等同于 sp = sp - 8 ,CPU运行需要场地,这个场地就是栈 ,SP是指向栈的指针,表示此时用栈的刻度. 代码和鸿蒙内核用栈方式一样,都采用了递减满栈的方式(FD). 什么是递减满栈? 递减指的是栈底地址高于栈顶地址,栈的生长方向是递减的, 满栈指的是SP指针永远指向栈顶. 每个函数都有自己独立的栈底和栈顶,之间的空间统称栈帧.可以理解为分配了一块 区域给函数运行,sub sp, sp, #8 代表申请2个栈空间,一个栈空间按四个字节算. 用完要不要释放?当然要,add sp, sp, #8 就是释放栈空间. 是一对的,减了又加回去,空间就归还了. ldr r1, [sp, #4] 的意思是取出SP+4这个虚拟地址的值给r1寄存器,而SP的指向并没有改变的,还是在栈顶, 为什么要+呢, +就是往回数, 定位到分配的栈空间上.
一定要理解递减满栈,这是关键! 否则读不懂内核汇编代码.

入参方式

一般都是通过寄存器(r0..r10)传参,fp调用square之前会先将参数给(r0..r10)

        add     r1, r0, r1     @执行r1=a+b
        mov     r0, r1         @r0=r1,用r0,r1传参
        bl      square(int, int)@先mov lr, pc 再mov pc square(int, int) 

到了square中后,先让 r0,r1入栈,目的是保存参数值, 因为 square中要用r0,r1 ,

        str     r0, [sp, #4]   @先入栈保存第一个参数
        str     r1, [sp]       @再入栈保存第二个参数
        ldr     r1, [sp, #4]   @再取出第一个参数给r1,(a*b)中a值
        ldr     r2, [sp]       @再取出第二个参数给r2,用于计算 (a*b)中b值

是不是感觉这段汇编很傻,直接不保存计算不就完了吗,这个是流程问题,编译器统一先保存参数,至于你想怎么用它不管,也管不了. 另外返回值都是默认统一给r0保存. square中将(a*b)的结果给了r0,回到fp中取出R0对fp来说这就是square的返回值,这是规定.

函数调用 main 和 fp 中都需要调用其他函数,所以都出现了

        push    {r11, lr}
        //....
        pop     {r11, lr}

这哥俩也是成对出现的,这是函数调用的必备装备,作用是保存和恢复调用者的现场,例如 main -> fp, fp要保存main的栈帧范围和指令位置, lr保存的是main函数执行到哪个指令的位置, r11的作用是指向main的栈顶位置,如此fp执行完后return回main的时候,先mov pc,lr, PC寄存器的值一变, 表示执行的代码就变了,又回到了main的指令和栈帧继续未完成的事业.

内存和寄存器数据怎么搬?

数据主要待在两个地方:内存和寄存器. 寄存器<->寄存器 , 内存<->寄存器 , 内存<->内存 搬运指令都不一样.

        str     r1, [sp]       @ 寄存器->内存
        ldr     r1, [sp, #4]   @ 内存->寄存器

这又是一对,用于 内存<->寄存器之间,熟知的 mov r0, r1 用于 寄存器<->寄存器

追问三个问题

第一:如果是可变参数怎么办? 100个参数怎么整, 通过寄存器总共就12个,不够传参啊

第二:返回值可以有多个吗?

第三:数据搬运可以不经过CPU吗?

百篇博客分析.深挖内核地基

  • 给鸿蒙内核源码加注释过程中,整理出以下文章。内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了。 😛
  • 与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,v**.xx 代表文章序号和修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。

按功能模块:

基础工具 加载运行 进程管理 编译构建
双向链表 位图管理 用栈方式 定时器 原子操作 时间管理 ELF格式 ELF解析 静态链接 重定位 进程映像 进程管理 进程概念 Fork 特殊进程 进程回收 信号生产 信号消费 Shell编辑 Shell解析 编译环境 编译过程 环境脚本 构建工具 gn应用 忍者ninja
进程通讯 内存管理 前因后果 任务管理
自旋锁 互斥锁 进程通讯 信号量 事件控制 消息队列 内存分配 内存管理 内存汇编 内存映射 内存规则 物理内存 总目录 调度故事 内存主奴 源码注释 源码结构 静态站点 时钟任务 任务调度 任务管理 调度队列 调度机制 线程概念 并发并行 CPU 系统调用 任务切换
文件系统 硬件架构
文件概念 文件系统 索引节点 挂载目录 根文件系统 字符设备 VFS 文件句柄 管道文件 汇编基础 汇编传参 工作模式 寄存器 异常接管 汇编汇总 中断切换 中断概念 中断管理

百万汉字注解.精读内核源码

WeHarmony/kernel_liteos_a_note

鸿蒙研究站 | 每天死磕一点点,原创不易,欢迎转载,但请注明出处。

展开阅读全文
加载中
点击加入讨论🔥(5) 发布并加入讨论🔥
打赏
5 评论
4 收藏
2
分享
返回顶部
顶部