Hello Linux ARM 組合語言

前言

之前的文章有不少在討論執行檔該長怎麼樣。簡單來說，一個執行檔會有

Sections：程式行為和資料會分開放在不同的sections
進入點，也就是system call開始執行你的程式的地方

以這樣的觀點，來看組合語言，會比較有感覺。

這次主要想要試看看如何使用組合語言印出Hello world。學過作業系統的朋友應該知道OS真正提供給使用者的介面叫作system call。有興趣的朋友可以使用strace研究執行檔呼叫了那些system call。這次的Hello world我有兩個線索

在command line執行的process會有3個馬上可以使用的file descriptor（不知道那啥的請自行估狗）分別是
- 0: standard in
- 1: standard out
- 2: standard error
有一個system call叫作write，你可以透過他把任何資料寫到指令的file descriptor

綜合以上，我們要幹的事就是透過組合語言做出

write(1, "Hello world\n", 12);

這又表示組合語言中我們要做

呼叫system call
帶參數給system call，這部份需要有
- ABI的背景知識
- 定址方式，更精確的說，如何宣告"Hello world\n"，讓runtime時放在在process address space中，並將它的位址傳給system call

測試環境

Host

$ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:   Ubuntu
Description:  Ubuntu 14.04.2 LTS
Release:  14.04
Codename: trusty

Guest OS on Qemu
- 這邊很奇怪我的kernel用更新過的版本Qemu完全無法開機。目前裝死中。

$ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:   Debian
Description:  Debian GNU/Linux 8.0 (jessie)
Release:  8.0
Codename: jessie

$ cat /proc/cpuinfo
Processor : ARM926EJ-S rev 5 (v5l)
BogoMIPS  : 643.48
Features  : swp half thumb fastmult vfp edsp java
CPU implementer   : 0x41
CPU architecture: 5TEJ
CPU variant   : 0x0
CPU part  : 0x926
CPU revision  : 5

Hardware  : ARM-Versatile AB
Revision  : 0000
Serial        : 0000000000000000

範例：版本一

我本來想說慢慢來，先來個完全沒意義的r0 = 0; r1 = 1; r2 = r0 + r1。程式如下：

hello.s

.text
.global _start
_start:
    mov %r0, $0
    mov %r1, $1
    add %r2, %r0, %r1
.end

幾點說明：

$或是#代表一個數字(出處)
%r1代表ARM的r1暫存器，但是為何用%目前沒找到手冊上有說明。
.text前面的文章有看應該覺得很眼熟，就是告訴編譯器以下是程式行為。
global是讓symbol可以外露，白話來說就是nm等binutil可以看的到這個symbol。
_start是一個程式執行的起始點，有看過之前文章就會覺得很眼熟。
.end表示程式結束點，不過目前用起來有沒有加好像沒有差別。
Makefile

Makefile

TARGET=hello
AS_FILE=$(addsuffix .s, $(TARGET))

$(TARGET): $(AS_FILE)
  $(AS) $^ -o $@

clean:
  rm -rf $(TARGET)

想法很簡單，就是直接編譯應該可以跑，雖然完全不會有畫面。錯！跑出來會這樣

$ make
as hello.s -o hello

$ ls -gG
total 12
-rw-r--r-- 1 588 Apr 20 18:04 hello
-rw-r--r-- 1  83 Apr 20 17:58 hello.s
-rw-r--r-- 1 113 Apr 20 17:58 Makefile

這代表什麼，hello編譯完後的binary本身沒有執行權限。改改權限看可不可以跑？

$ chmod +x hello
$ ./hello
bash: ./hello: cannot execute binary file: Exec format error

怎麼回事？分析一下

$ readelf hello -h
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              REL (Relocatable file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          0 (bytes into file)
  Start of section headers:          268 (bytes into file)
  Flags:                             0x5000000, Version5 EABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           0 (bytes)
  Number of program headers:         0
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         8
  Section header string table index: 5

看不出來對不對？我是這樣啦，所以先比對/bin/ls的輸出吧

$ readelf /bin/ls -h
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x14354
  Start of program headers:          52 (bytes into file)
  Start of section headers:          99372 (bytes into file)
  Flags:                             0x5000202, has entry point, Version5 EABI, soft-float ABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         9
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         27
  Section header string table index: 26

仔細看一下Type:，/bin/ls是EXEC而hello是REL，man elf可以看到REL是relocate file，那是啥呢？根據System V Application Binary Interface - DRAFT - 10 June 2013第四章的簡介，簡單來說就是object檔案，也就是說link時吃的檔案。所以我們加入Link吧。

範例：版本二

單純加入linker看看會怎樣？

Makefile

TARGET=hello
AS_FILE=$(addsuffix .s, $(TARGET))

$(TARGET): $(AS_FILE)
  $(AS) $^ -o $@.o
  $(LD) $@.o -o $@

clean:
  rm -rf $(TARGET)

kerker，一樣GG。

$ make
as hello.s -o hello.o
ld hello.o -o hello
$ ./hello
Illegal instruction

估狗到的組合語言的Hello world範例最後會呼叫exit system call，照著呼叫exit就可以正常結束，這就是第三版。至於為何會出現Illegal instruction，根據Scott Tsai大大的提示，當你的程式碼跑完後，接下來記憶體有啥CPU就跑啥，跑到不認識的opcode當然就GG了。

範例：版本三

hello.s

.text
.global _start
_start:
    mov     %r0, $0
    mov     %r7, $1
    svc     $0
.end

單純叫了exit而已，有幾點注意的根據Debian ARM system call interface，可以知道

r0 ~ r6是函數的帶入參數
r7 是system call number，而system call number是啥呢？就是你要的system call 對應的數字。

所以要呼叫exit(0) system 表示

傳一個參數，數值為0
要設定exit對應的system call number為1。

為何system call number是1呢？可以看看unistd.h裏面system call number的定義，exit的system call number為1。

設定完傳給exit參數後呼叫了一個組合語言指令svc，這個指令主要是切換到Supervisor模式。Linux下面也許太過複雜，不太容易從user mode一路追到kernel然後又看懂這些system call的行為。沒關係成大資工作業有比較看得懂的範例可以參考。例如包裝呼叫system call的函數以及Kernel中對應的system call服務實作。

根據unistd.h定義的system call number，write的system call number 是4，所以我們可以開始寫最後的版本了。

範例：版本四

開始之前，先來看男人怎麼介紹write system call的

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

這代表

有三個參數要傳給system call
有回傳值可以吃
其中一個參數是位址，這個位址我們會放"Hello World\n"字串

那麼我先來看看怎麼放字串到記憶體

.data
hello_str:
    .ascii "Hello World\n"

.data如果有看我以前的文章，就知道這是放有初始值全域變數的地方。

而hello_str呢?嗯，對_start:有印象嗎？

這叫作label，是GNU組語中symbol的一種，有興趣可以看這邊。根據手冊，label還有一個功能，代表目前跑到的位址。所以_start:就是.text section的起始位址。而hello_str就是.data section的起始位址。從這兩個label可以看到label只是一個位址，可以指向函數或是資料，這和C語言的指標有異曲同工之妙。有興趣的朋友可以去找function pointer和C語言的callback函數。

而.ascii，單純就是宣告字串指令。

呼叫write system call來還有兩個問題要處理

如何取得hello_str對應的位址放到暫存器r1上面？
要怎麼算出hello_str字串的長度?

關於第一個問題，GNU ARM組合語言有中將數值或位址放到暫存器的虛擬指令

ldr <register> , = <expression>

expression是一種表示位置或是數值的方式。

恰巧symbol也算是一個expression，所以可以表示成：

ldr %r1, =hello_str

第二個問題呢？要介紹.了。之前看過linker script的朋友應該對於locale counter還有印象。locale counter代表目前的位置。加上expression也支援運算。利用hello_str是.data 開頭，我們可以這樣做:

.data
hello_str:
    ascii "Hello World\n"
hello_len = . - hello_str

綜合上面的討論，版本四組合語言會是

hello.s

.data
hello_str:
    .ascii "Hello World\n"
hello_len = . - hello_str

.text
.global _start
_start:
    /* %r0 = write(1, hello_str, hello_len); */
    mov     %r0, $1
    ldr     %r1, =hello_str
    ldr     %r2, =hello_len
    mov     %r7, $4
    svc     $0

    /* exit(%r0) */
    mov     %r7, $1
    svc     $0

.end

等等，不是說有回傳值？還是要看Procedure Call Standard for the ARM Architecture ABI r2.09手冊，上面提到回傳資料會放到r0，剛好接下來的exit system call帶的第一個參數也要存放在r0，那麼我們可以直接觀察執行後回傳值如下：

$ make
as hello.s -o hello.o
ld hello.o -o hello

$ ./hello
Hello World
$ echo $?
12

補充

ldr <register> , = <expression>

這是個有趣的指令，這個指令事實上是個虛擬指令。怎麼說呢，因為這個指令的目標是把數值塞到指定的暫存器。這個數值是位址還是啥死人骨頭並不重要。重要的是，由於opcode的限制，把數值塞到指定的暫存器會有限制滴。例如ARM Cortex M0的MOV的數值只有8-bit，要塞32-bit的數值就需要配合其他的指令做連續技。因此

ldr <register> , = <expression>

這樣的指令就可以讓你寫起來比較輕鬆。

另外一個值得一提是，如果組譯器無法把ldr <register> , = <expression>虛擬指令轉換成MOV或MVN指令，把你的數值塞到暫存器的話。組譯器會把你的值放在一塊記憶體中，使用真的ldr把這塊記憶體的值載入到暫存器中。這個方法稱為literal pool，細節可以看這邊。

總結

本文從會GG的組合語言一路改到可以印出Hello World，並且在程式結束後回傳字串長度。在文章中簡單提到了GNU as的

組合語言中section
組合語言的編譯方式
組合語言中的symbol和字串表示方式
組合語言中的expression
ABI實例

希望對有需要的朋友有所幫助。

延伸閱讀及致謝

感謝Scott Tsai大大提供的資料以及指出文章中錯誤的地方。另外他也有提到其他有趣的部份，當作以後的作業。先列出如下

從組合語言直接呼叫header file內的system call
Kernel Memory Layout on ARM Linux
- 這邊主要討論的是objdump -d發現obj檔和執行檔差別只在進入點位址的差別，而進入點位址如何決定呢？這邊有規範，另外也可以看default linker script看看如何設定的。
Scott大大的範例程式
- 可以看到，這個版本和我參考寫出來的版本差異有
  - 把"Hello world"放在.rodata section中，這比.data更實際，因為這個字串的確沒有必要設成全域變數。
  - 使用了preprocess方式。
  - 提供了反組譯的結果
  - 提供X86-64版本的組合語言比較

感謝Viler Hsiao大大寫文回答我的問題。

Viler Hsiao: 閱讀assembly code

參考資料

『Hello World!』 in ARM assembly
- 本篇程式碼大量參考這篇。
GNU Manual: Using as

My code works, I don’t know why.

國王的耳朵是驢耳朵

目錄

前言

測試環境

範例：版本一

範例：版本二

範例：版本三

範例：版本四

補充

總結

延伸閱讀及致謝

參考資料

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