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

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01/22 15:54
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子曰:“君子坦荡荡,小人长戚戚。” 《论语》:述而篇

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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。

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有一个小错误,sub sp, sp, #16 @sp减去8,意思为给main分配栈空间,只用2个栈空间完成计算。
应是sub sp, sp, #16 @sp减去8,意思为给main分配栈空间,只用4个栈空间完成计算
03/04 14:20
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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
03/04 14:21
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感谢订正,很细心,已修复.
03/04 15:42
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大佬加油,写的很棒!
03/04 15:47
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