2021年09月16日 | GNU ARM交叉汇编环境的搭建与测试

对ARM进行裸机开发时，汇编是必不可少的，因为C语言无法直接操作CPU的内置寄存器，也就无法完成很多硬件初始化的功能，如内存控制器的初始化。

市面上大多数讲解ARM汇编开发的书籍都把ADS作为开发环境，因此使用的汇编语言也就是ARMASM，开发平台也限制到了Windows。然而在嵌入式领域，Linux作为开发环境更加普及，那么如何在Linux下进行ARM的汇编程序设计呢？

其实，Linux平台上早就有了支持ARM的汇编器，那就是著名的binutils软件包，它包含了汇编、链接、二进制操作等所有的ARM汇编环境。

1 binutils简介

binutils是支持Unix类系统汇编与链接开源软件包，提供汇编、链接等二进制文件操作工具。其官方主页是: http://www.gnu.org/software/binutils。著名的GCC编译器本身并不提供汇编和链接功能，而是依赖于这个binutils才能完成高级语言的编译、汇编、链接过程。它提供的工具包括：

* GNU链接器ld

* GNU汇编器as

* objcopy 转换二进制格式

* ar 对象文件打包管理

* c++filt C++符号名字反mangling

* nm 打印二进制文件里的符号信息

* readelf 读取分析elf格式文件信息

* ranlib 产生archive包的索引

* size 列出二进制文件的大小

* objdump 打印二进制文件信息

* strip 去除二进制文件中的符号信息

* strings 打印二进制文件中的可打印符号

* dlltool 为构建和使用DLL创建文件

* gprof 显示配置信息

* addr2line 把内存地址对应到源文件中的行号（用于调试）

* nlmconv 转为对象代码为NLM

* gold 只用于ELF格式的新生代连接器（尚处于测试阶段）

对于ARM汇编程序开发，as,ld,objcopy是最基本的工具。

2 binutils安装

对于ARM汇编来说，最常见的就是开发平台是基于X86的LinuxPC机器，而运行平台则是基于ARM的嵌入式硬件平台。这就需要一个能生成ARM机器码的交叉汇编器和连接器。binutils自然能够满足这个小小的要求，只是需要进行编译安装就可以了。

2.1 准备binutils源码

去其官网下载最新的源码包，截至目前（2016年12月12日）最新的版本为2.27，下载得到的文件名为： binutils-2.27.tar.bz2。

解压

tar -jxvf binutils-2.27.tar.bz2

得到binutils-2.27文件夹。

不建议直接在binutils-2.27这个源文件目录下直接配置编译，以免造成混乱。为此，新建一个空目录build-binutils，用于编译。

2.2 配置，编译，安装

进入build-binutils目录，执行如下配置命令：

../binutils-2.27/configure --prefix=/home/smstong/ARM --target=arm-linux-gnueabihf

上面指定了binutils的安装目录与目标平台，运行完成会在当前目录下生成Makefile。执行make，make install完成安装

make

make install

与GCC不同，binutils的配置、编译、安装非常简单，很少会出错。安装完成后会产生如下目录结构：

ARM

├── arm-linux-gnueabihf

│   ├── bin

│   │   ├── ar

│   │   ├── as

│   │   ├── ld

│   │   ├── ld.bfd

│   │   ├── nm

│   │   ├── objcopy

│   │   ├── objdump

│   │   ├── ranlib

│   │   ├── readelf

│   │   └── strip

│   └── lib

│       └── ldscripts

│         

├── bin

│   ├── arm-linux-gnueabihf-addr2line

│   ├── arm-linux-gnueabihf-ar

│   ├── arm-linux-gnueabihf-as

│   ├── arm-linux-gnueabihf-c++filt

│   ├── arm-linux-gnueabihf-elfedit

│   ├── arm-linux-gnueabihf-gprof

│   ├── arm-linux-gnueabihf-ld

│   ├── arm-linux-gnueabihf-ld.bfd

│   ├── arm-linux-gnueabihf-nm

│   ├── arm-linux-gnueabihf-objcopy

│   ├── arm-linux-gnueabihf-objdump

│   ├── arm-linux-gnueabihf-ranlib

│   ├── arm-linux-gnueabihf-readelf

│   ├── arm-linux-gnueabihf-size

│   ├── arm-linux-gnueabihf-strings

│   └── arm-linux-gnueabihf-strip

└── share

    └── man

        └── man1

其中ARM/bin和ARM/arm-linux-gnueabihf/bin目录下存放的就是as，ld等二进制工具。实际上这两个目录里的文件是完全一样的，只是名字不同而已。

[smstong@centos192 ~]$ ls ARM/arm-linux-gnueabihf/bin -i

54202 ar  54228 ld      54209 nm       54201 objdump  54207 readelf

54218 as  54228 ld.bfd  54205 objcopy  54204 ranlib   54210 strip

[smstong@centos192 ~]$ ls ARM/bin/ -i

54206 arm-linux-gnueabihf-addr2line  54209 arm-linux-gnueabihf-nm

54202 arm-linux-gnueabihf-ar         54205 arm-linux-gnueabihf-objcopy

54218 arm-linux-gnueabihf-as         54201 arm-linux-gnueabihf-objdump

54211 arm-linux-gnueabihf-c++filt    54204 arm-linux-gnueabihf-ranlib

54208 arm-linux-gnueabihf-elfedit    54207 arm-linux-gnueabihf-readelf

54222 arm-linux-gnueabihf-gprof      54200 arm-linux-gnueabihf-size

54228 arm-linux-gnueabihf-ld         54203 arm-linux-gnueabihf-strings

54228 arm-linux-gnueabihf-ld.bfd     54210 arm-linux-gnueabihf-strip

可见，ARM/arm-linux-gnueabihf/bin/as 和 ARM/bin/arm-linux-gnueabihf-as共享同一个索引节点号，是彼此的硬链接。为了与开发主机上的本地binutils相区别，建议使用长文件名的那个硬链接。为此，把它们加入可执行路径：

export PATH=/home/smstong/ARM/bin:$PATH

这样我们就可以直接使用arm-linux-gnueabihf-as命令了。

3 目标机器是裸机下的汇编程序开发

下面直接给出一个具体的例子。

3.1 实验环境

本次实验的运行平台为TQ2440开发板。从Norflash启动硬件，并且Norflash中已经预装了u-boot，且u-boot支持通过tftp协议下载程序到指定内存地址执行。

开发主机安装运行了tftp服务器，文件根目录为/var/lib/tftpboot，编译生成的二进制文件led.bin被复制到此目录下。

这就是说，测试程序执行前，u-boot已经完成了硬件平台的基本初始化：SDRAM可用，堆栈环境已经设置，MMU未启用，所以虚拟地址和物理地址完全相同。

这样我们的测试程序就可以做的非常简单。

本次实验的结果是熄灭底板上的LED1。因为u-boot启动后，LED1被自动点亮，我们的测试程序用来熄灭它。

3.2 源码

源文件 led.s。

我们都知道，GNU的X86汇编指令与Intel文档提供的标准格式相差很大，而这种情况在ARM汇编中不再存在，

GNU ARM AS支持ARM公司提供的标准汇编指令格式，而且扩展了一些特有的伪指令。

.equ GPBCON, 0x56000010

.equ GPBDAT, 0x56000014

.equ GPBUP,  0x56000018

.equ UBOOT,  0x00000000

.section .text

    .global _start

_start:

    ldr r0, =GPBCON

    ldr r1, [r0]

    bic r1, r1, #0xC00

    orr r1, r1, #0x400

    str r1, [r0]

    ldr r0, =GPBUP

    ldr r1, [r0]

    bic r1, r1, #0x20

    str r1, [r0]

    ldr r0, =GPBDAT

    ldr r1, [r0]

    orr r1, r1, #0x20

    str r1, [r0]

    b UBOOT /* 跳转回Norflash，重新进入u-boot */

.end

链接脚文件 led.lds:

ENTRY(_start)

SECTIONS {

    . = 0x30000000;

    .text : {       /* text and : must be seperated by space */

        *(.text)

        *(.rodata)

    }

    .data ALIGN(4): {

        *(.data)

    }

    .bss ALIGN(4): {

        *(.bss)

    }

}

Makefile文件：

AS = arm-linux-gnueabihf-as

LD = arm-linux-gnueabihf-ld

OBJCPY = arm-linux-gnueabihf-objcopy

all: led.bin

    sudo cp led.bin /var/lib/tftpboot/

led.bin: led

    $(OBJCPY) -O binary $< $@

led: led.o

    $(LD)  --script=led.lds -o $@ $<

led.o: led.s

    $(AS) -o $@ $<

.PHONY: clean

clean:

    rm *.o led led.bin

3.3 编译链接说明

链接时需要指定代码段的起始内存地址为0x30000000，以满足TQ2440开发板的内存布局，这通过链接脚本led.lds来完成。

链接器生产的可执行程序led为elf格式，这是Linux操作系统下的标准可执行格式，需要操作系统提供的加载器才能加载执行，在开发板裸机上不能直接运行，这就需要通过objcopy工具把elf格式转化为单纯的二进制格式led.bin。

整个转换汇编链接过程：

led.s---(汇编器as)-->led.o---(连接器ld)-->led---(objcopy工具)--->led.bin

3.4 下载到开发板执行

#####    Boot for Nor Flash Main Menu   #####

#####     EmbedSky USB download mode     #####

[1] Download u-boot or other bootloader to Nand Flash

[2] Download Eboot (eboot.nb0) to Nand Flash

[3] Download Linux Kernel (zImage.bin) to Nand Flash

[4] Download WinCE NK.bin to Nand Flash

[5] Download CRAMFS image to Nand Flash

[6] Download YAFFS image (root.bin) to Nand Flash

[7] Download Program (uCOS-II or TQ2440_Test) to SDRAM and Run it

[8] Boot the system

[9] Format the Nand Flash

[0] Set the boot parameters

[a] Download User Program (eg: uCOS-II or TQ2440_Test)

[b] Download LOGO Picture (.bin) to Nand  Flash

[l] Set LCD Parameters

[n] Enter TFTP download mode menu

[o] Download u-boot to Nor Flash

[r] Reboot u-boot

[t] Test Linux Image (zImage)

[q] quit from menu

Enter your selection: n

#####    Boot for Nor Flash Main Menu   #####

#####     EmbedSky TFTP download mode     #####

[1] Download u-boot.bin to Nand Flash

[2] Download Eboot (eboot.nb0) to Nand Flash

[3] Download Linux Kernel (zImage.bin) to Nand Flash

[4] Download WinCE NK.bin to Nand Flash

[5] Set TFTP parameters(PC IP,TQ2440 IP,Mask IP...)

[6] Download YAFFS image (root.bin) to Nand Flash

[7] Download Program (uCOS-II or TQ2440_Test) to SDRAM and Run it

[8] Boot the system

[9] Format the Nand Flash

[0] Set the boot parameters

[a] Download User Program (eg: uCOS-II or TQ2440_Test)

[b] Download LOGO Picture (.bin) to Nand  Flash

[l] Set LCD Parameters

[o] Download u-boot to Nor Flash

[p] Test network (TQ2440 Ping PC's IP)

[r] Reboot u-boot

[t] Test Linux Image (zImage)

[q] Return main Menu

Enter your selection: 7

Enter downloads to SDRAM address:

0x30000000

Enter program name:

led.bin

tftp 0x30000000 led.bin

dm9000 i/o: 0x20000300, id: 0x90000a46

MAC: 0a:1b:2c:3d:4e:5f

TFTP from server 172.16.35.188; our IP address is 172.16.35.189

Filename 'led.bin'.

Load address: 0x30000000

Loading: #

done

Bytes transferred = 80 (50 hex)

## Starting application at 0x30000000 ...

可以看到开发板上的LED1灯已经被熄灭了。

4 目标机器是Linux系统下的汇编程序开发

汇编程序当然也适合在Linux系统下运行，而且有了OS的支持，汇编程序可以通过系统调用的方式非常爽的使用OS提供的API。下面给出一个hello world的例子。

4.1 源码

源码非常简单hello.s：

.section .data

msg:

    .asciz "hello,GNU ARM ASMn"

.section .text

    .global _start

_start:

    mov r0,#1       /* file fd */

    ldr r1, =msg

    mov r2,#18

    swi #0x900004   /* sys_write(fd,msg,len) */

    mov r0,#0

    swi #0x900001   /* sys_exit(code) */

Makefile:

AS = arm-linux-gnueabihf-as

LD = arm-linux-gnueabihf-ld

all: hello

    sudo cp hello /var/lib/tftpboot/

hello: hello.o

    $(LD) -o $@ $<

hello.o: hello.s

    $(AS) -o $@ $<

.PHONY: clean

clean:

    rm *.o hello

4.2 编译链接说明

默认情况下链接器会把_start作为入口，代码段基地址默认为0x00010074。因为开发板运行的是Linux系统，所以会把这个虚拟地址转换为可用的物理地址。

通过swi软中断方式调用Linux内核API，很轻易就实现了打印字符串的功能。在OS下开发程序是多么幸福的事情！

4.3 系统调用还是标准C库？

汇编程序有两种使用系统API的方式，一是上面例子中的直接使用swi陷入内核；二是调用标准C库函数。个人建议还是第一种方法更好，因为第二种方法存在如下问题：

开发环境下，目标机器的标准C库不一定存在，例如我们目前的环境，由于还没有编译安装标准C库；这样交叉链接无法完成链接任务。

也许有人说，使用标准C库会使得程序具有更强的可移植性。可是别忘了，我们开发的是汇编程序，汇编程序天生就不具有可移植性！！！