C 语言和 ARM 汇编 - 1 体系结构

我们先用一个简单例子，说明 C 代码如何生成指令，然后在实际系统中运行。

int globalVar;
void main()
{
    globalVar = 10;
}

例子里面有两个地方需要注意的，有个全局变量和一个函数，函数里面有具体需要运行的指令，而全局变量里面存储了数据。如果这个代码转换成机器指令，会在实际内存中占据对应的数据段和代码段。

Data +----------------+
     | globalVar: 4B  |
Code +----------------+
     | main:          |
     |  globalVar = 10|
     +----------------+

数据段包含了4个字节的数据，代码段包含了函数中生成对应的机器指令，CPU 执行这些指令并对数据段里面的数据做处理。

可以用如下指令生成对应的汇编：

arm-none-eabi-gcc -S test-1.c

主要汇编代码：

# 声明全局变量 gloablVal, .comm 表明这个变量是全局未初始化数据
# 汇编后会将它分配到 .bss 段
.comm   gloablVal,4,4
# 代码段开始
.text
.align  2
# 对外声明全局函数，可以在外部调用
.global main
.type   main, %function
main:
# 将 fp(r11) 入栈，fp 可以在函数调用过程中作为局部变量起始地址
    str fp, [sp, #-4]!
# 函数没有用到局部变量，于是 fp,sp 都没有变化
    add fp, sp, #0
# 加载全局变量的地址到寄存器 r3
    ldr r3, .L2
# 加载立即数到 r2
    mov r2, #10
# 将 r3 地址里面对应数据设置为 r2
    str r2, [r3]
    sub sp, fp, #0
# fp 出栈
    ldr fp, [sp], #4
    bx  lr
.L2:
    .word   gloablVal

寄存器

Cortex M 系列包含了一些通用寄存器和专用寄存器，其中 R11(FP) 可以用来指示函数局部变量的起始位置，R13(SP) 指示堆栈的当前位置。注意其中 FP 是可选的，主要是用来回溯函数调用过程，通过当前的 FP/SP，可以找到调用函数的 FP/SP，以此类推。可以通过编译选项里面的 -fomit-frame-pointer 忽略 FP，这样函数进入和退出的时候可以少几条指令，可以有一定的优化效果。

Backtrace 可以复原函数的调用过程和数据，具体是通过几个专用寄存器来实现的。

pc: where we are
lr: where we was
sp: where the stack is
fp: where the stack was

通过这四个寄存器就可以还原出函数的调用过程和中间局部变量。

当处理器调用异常时，会将 8 个寄存器自动按顺序压栈

分段

通过分区可以在链接的时候，将同样的段合并起来，通过链接程序生成可执行二进制文件。一个段可以包含代码、数据、可重定向表格等。注意 section 和 segment 的概念有所区别，section 是从链接角度来看的，包含了链接过程需要的信息，segment 是运行角度来看的，包含运行过程需要的信息。

一些常见的 section/segment:

一些分区 sections 在存在于中间文件，并没有用到可执行文件中，比如 .debug 分区，只是用作调试使用，比如 gdb；有些分区最后会合并到对应的分段，比如 .comm 分区链接后分配到 .bss 分段。