鸿蒙内核源码分析(汇编基础篇) | CPU在哪里打卡上班

作者：我家小花儿 | 2024-05-03 11:36:51

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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
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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
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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
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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;
}
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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

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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) 
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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
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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}
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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
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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?

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