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去年笔者将openwrt-22.03系统移植到了基于全志D1/riscv64的嵌入式设备上。当时发现系统启动后#xff0c;网络不可用#xff1b;简单地修改/etc/config/network设备即可以正常连接有线网络。为了学习riscv ISA#xff0c;笔者手动为…在全志RISCV/D1设备上安装汇编器和链接器
去年笔者将openwrt-22.03系统移植到了基于全志D1/riscv64的嵌入式设备上。当时发现系统启动后网络不可用简单地修改/etc/config/network设备即可以正常连接有线网络。为了学习riscv ISA笔者手动为该设备编译了汇编器链接器不含gcc编译器、GNU make以及Vim这样就可以在全志D1嵌入式设备上学习riscv的汇编语言开发了。因这些工具是手动编译生成的其安装路径如下
rootOpenWrt:/tmp# uname -a
Linux OpenWrt 5.4.61 #0 PREEMPT Sun Jul 31 15:12:47 2022 riscv64 GNU/Linux
rootOpenWrt:/tmp# ls /opt/binutils/bin/
ar ld objdump tic
as ld.bfd ranlib toe
captoinfo less readelf tput
clear lessecho reset tset
dmesg lesskey rview view
ex make rvim vim
file ncurses6-config strings vimdiff
infocmp nm strip vimtutor
infotocap objcopy tabs xxd
rootOpenWrt:/tmp# echo $PATH
/opt/binutils/bin:/usr/bin:/usr/sbin:/bin:/sbin简单的helloword汇编示例
本着由简入繁的学习原则笔者编写了一个不依赖glibc库的简单汇编代码其编译运行的调试结果如下
rootOpenWrt:/tmp/assembly# make helloworld
as -mabilp64d -fPIC -o helloworld.o helloworld.S
ld --eh-frame-hdr -melf64lriscv -e _pentry -o helloworld helloworld.o
rootOpenWrt:/tmp/assembly# file helloworld
helloworld: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, double-float ABI, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped
rootOpenWrt:/tmp/assembly# ./helloworld
Hello World!
rootOpenWrt:/tmp/assembly# echo $?
3注意到上面生成的helloworld是一个静态链接的可执行文件它不需要动态链接器。helloworld.S是一个入门级的汇编代码对于riscv的汇编代码学习除了riscv官方提供的ISA详解文档外笔者还推荐github上的一个汇总说明文档它参考了Linux内核关于syscall系统调用的说明其中riscv相关的内容分别使用ecall汇编指令调用了write及exit两个系统调用分别用于给柡准输出写Hello World!、退出当前进程 .file helloworld.S.option pic.text.section .text.startup,ax,progbits.align 4.globl _pentry.type _pentry, function_pentry:li a7, 64li a0, 1lla a1, .LC0li a2, 13ecallnopli a7, 93li a0, 3ecallnop.size _pentry, . - _pentry.section .rodata.str,aMS,progbits,1.align 4
.LC0:.string Hello World!\n在RISCV64嵌入式设备上编译运行调用glibc的汇编应用
上面的简单helloworld应用并不依赖glibc的语言动态库。这一约束大大限制了我们在全志D1/riscv嵌入式设备上编写的汇编应用的功能。而该设备上也缺少整套的gcc工具链如何解决这一问题笔者的方案是将链接到glibc的C语方库的这一过程整合到全志D1设备上运行就可以直接在汇编代码中引用柡准C语言库提供的变量及函数。举例说明对于一个依赖C语言库的示例应用example.S在全志D1设备上的汇编、链接过程如下
rootOpenWrt:/tmp/assembly# make example
as -mabilp64d -fPIC -o example.o example.S
ld --eh-frame-hdr -melf64lriscv -dynamic-linker \/lib/ld-linux-riscv64xthead-lp64d.so.1 \-o example /tmp/assembly/lib64xthead-lp64d/crt1.o \/tmp/assembly/lib64xthead-lp64d/crti.o \/tmp/assembly/lib64xthead-lp64d/crtbegin.o \-L/tmp/assembly/lib64xthead-lp64d -L/lib \example.o --no-as-needed -lc --no-as-needed \/tmp/assembly/lib64xthead-lp64d/crtend.o \/tmp/assembly/lib64xthead-lp64d/crtn.o
rootOpenWrt:/tmp/assembly# file example
example: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, RVC, double-float ABI, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-riscv64xthead-lp64d.so.1, for GNU/Linux 4.15.0, with debug_info, not stripped
rootOpenWrt:/tmp/assembly# ldd ./examplelinux-vdso.so.1 (0x0000003ff6200000)libc.so.6 /lib64xthead/lp64d/libc.so.6 (0x0000003ff60f2000)/lib/ld-linux-riscv64xthead-lp64d.so.1 (0x0000003ff6202000)
rootOpenWrt:/tmp/assembly# ./example 5 6
Hello World!
Value A: 5, B: 6, result: 30需要说明的是在使用C语言库编写汇编应用时需要严格地遵守riscv-abi中要求的调用规则这里不再展开。上面链接过程中需要用到的多个目柡文件crtX.o是在PC机上从交叉编译器riscv64-glibc-gcc-thead_20200702.tar.xz中提取的其中libc.so是一个修改后的文本文件。这些文件源于glibc用于Linux系统环境下应用的C运行时C Run Time的初始化操作
rootOpenWrt:/tmp/assembly# ls lib64xthead-lp64d/
crt1.o crtend.o crtn.o libc_nonshared.a
crtbegin.o crti.o libc.so rv64-ld-log.txt
rootOpenWrt:/tmp/assembly# cat lib64xthead-lp64d/libc.so
/* GNU ld scriptUse the shared library, but some functions are only inthe static library, so try that secondarily. */
OUTPUT_FORMAT(elf64-littleriscv)
GROUP ( /lib/libc.so.6 /tmp/assembly/lib64xthead-lp64d/libc_nonshared.a AS_NEEDED ( /lib/ld-linux-riscv64xthead-lp64d.so.1 ) )以下给出调用C库的一些函数的汇编代码example.S源文件它引用了libc.so.6动态库中的stdout、fprintf、strtoll等符号 .file example.c.option pic.text.section .text.startup,ax,progbits.align 1.align 4.globl main.type main, function
main:addi sp,sp,-48sd s0,8(sp)sd s1,16(sp)sd s2,24(sp)sd ra,40(sp)sd s3,32(sp)addi s0,sp,48li a5,1li s2,0li s1,0bgt a0,a5,.L7
.L2:mul a4,s1,s2la s3,stdoutld a0,0(s3)mv a3,s1mv a2,s2lla a1,.LC0call fprintfpltld a0,0(s3)call fflushpltld ra,40(sp)ld s0,8(sp)subw a0,s2,s1ld s3,32(sp)ld s1,16(sp)ld s2,24(sp)addi sp,sp,48jr ra
.L7:mv s1,a0ld a0,8(a1)mv s3,a1li a2,0li a1,0call strtollpltli a5,2mv s2,a0beq s1,a5,.L4ld a0,16(s3)li a2,0li a1,0call strtollpltmv s1,a0j .L2
.L4:li s1,0j .L2.size main, .-main.section .rodata.str1.8,aMS,progbits,1.align 3
.LC0:.string Hello World!\nValue A: %lld, B: %lld, result: %lld\n值得说明的是上面的example.S是由以下C代码编译生成的并非笔者手动编写
#include stdio.h
#include string.h
#include stdlib.hint main(int argc, char * argv[])
{long long aval, bval;aval bval 0;if (argc 2)aval (long long) strtoll(argv[1], NULL, 0);if (argc 3)bval (long long) strtoll(argv[2], NULL, 0);fprintf(stdout, Hello World!\nValue A: %lld, B: %lld, result: %lld\n,aval, bval, aval * bval);fflush(stdout);return (int) (aval - bval);
}Linux内核执行应用层可执行文件时的命令行参数传递
以上笔者演示了在嵌入式设备上仅使用汇编器as及链接器ld开发汇编应用的两种方法。第一种是使用riscv的ecall汇编指令直接调用Linux内核提供的系统调用这种方法生成的可执行文件是静态链接的不依赖动态链接器也不能调用标准C语言库提供的功能。第二种方法是可以连接到标准C语言库的而且是动态链接的。当然第二种方法也可以方便地扩展到其他动态库而不仅限于标准语言库。笔者对比了两种方法发现第二种可以方便地访问到应用运行时的命令行参数那么如何使用第一种方法访问这些命令行参数呢
通过查看全志D1的Linux内核代码可知应用的命令行参数及环境变量是存放在应用的栈上面的
/* awd1-linux-5.4/fs/exec.c */
/** copy_strings() copies argument/environment strings from the old* processess memory to the new processs stack. The call to get_user_pages()* ensures the destination page is created and not swapped out.*/
static int copy_strings(int argc, struct user_arg_ptr argv,struct linux_binprm *bprm)
{struct page *kmapped_page NULL;char *kaddr NULL;unsigned long kpos 0; int ret; while (argc-- 0) { const char __user *str;int len; unsigned long pos; ret -EFAULT;str get_user_arg_ptr(argv, argc);if (IS_ERR(str))goto out;
......
static int do_execveat_common(int fd, struct filename *filename, ... {
......retval copy_string_kernel(bprm-filename, bprm);if (retval 0)goto out_free;bprm-exec bprm-p;retval copy_strings(bprm-envc, envp, bprm);if (retval 0)goto out_free;retval copy_strings(bprm-argc, argv, bprm);if (retval 0)goto out_free;
}于是笔者编写了不依赖C语言库及其运行时的稍复杂一些的汇编代码dumpenv.S它会遍历函数栈上的保存的应用命令行参数及环境变量依次输出到标准输出下面是编译运行的结果
rootOpenWrt:/tmp/assembly# make dumpenv
as -mabilp64d -fPIC -o dumpenv.o dumpenv.S
ld --eh-frame-hdr -melf64lriscv -e _pentry -o dumpenv dumpenv.o
rootOpenWrt:/tmp/assembly# file dumpenv
dumpenv: ELF 64-bit LSB executable, UCB RISC-V, double-float ABI, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped
rootOpenWrt:/tmp/assembly# ./dumpenv hello world Welcome To RISC-V
stackpointer: 0x0000003ffffc3c80
stkptr[0x00]: 0x0000000000000007
stkptr[0x08]: 0x0000003ffffc3e7d
stkptr[0x10]: 0x0000003ffffc3e87
stkptr[0x18]: 0x0000003ffffc3e8d
./dumpenv
hello
worldWelcome
To
RISC-V
USERroot
SSH_CLIENT192.168.1.8 49510 22
SHLVL1
HOME/root
OLDPWD/tmp
SSH_TTY/dev/pts/0
SSH_PUBKEYINFOxiaoqzye163.com
PS1\[\e]0;\u\h: \w\a\]\u\h:\w\$
ENV/etc/shinit
LOGNAMEroot
TERMxterm
PATH/opt/binutils/bin:/usr/bin:/usr/sbin:/bin:/sbin
SHELL/bin/ash
PWD/tmp/assembly
SSH_CONNECTION192.168.1.8 49510 192.168.1.6 22
./dumpenv有人会问为什么在环境变量结束后还会有一个./dumpenv的信息这一点可以参考上面帖出的Linux内核源码因在riscv平台上语言函数栈是向下生长的内核在栈上构造这些信息时参数的写入恰好与dumpenv输出的顺序是相反的。在调用copy_strings存入环境变量之前会单独将应用的可执行文件名先写入即以上调试结果的最后一个./dumpenv。下面是笔者编写的dumpenv.S全部代码仅供参考 .file dumpenv.S.option pic.text.section .text.startup, ax, progbits.align 4.globl dump_int.type dump_int, function
dump_int:addi sp, sp, -48addi a1, sp, 8mv a2, a1li a3, 0x30sb a3, 0x0(a2)addi a2, a1, 1li a3, 0x78sb a3, 0x0(a2)li a4, 2li a7, 0x39
1:li a5, 17sub a5, a5, a4sll a5, a5, 2srl a5, a0, a5andi a5, a5, 0xfaddi a3, a5, 0x30bleu a3, a7, 2faddi a3, a3, 0x27
2:add a5, a1, a4sb a3, 0x0(a5)addi a4, a4, 1li a5, 18bne a4, a5, 1bli a2, 18li a0, 1li a7, 64ecallnopaddi sp, sp, 48ret.size dump_int, . - dump_int.align 4.globl dump_str.type dump_str, function
dump_str:addi sp, sp, -16sd zero, 0x8(sp)beqz a0, 1fli a2, -1
2:addi a2, a2, 1add a1, a0, a2lbu a3, 0x0(a1)bnez a3, 2bbeqz a2, 1fsd a2, 0x8(sp)mv a1, a0li a0, 1li a7, 64ecall
1:nopld a0, 0x8(sp)addi sp, sp, 16ret.size dump_str, . - dump_str.align 4.globl dump_char.type dump_char, function
dump_char:addi sp, sp, -16sb a0, 8(sp)addi a1, sp, 8li a2, 1li a0, 1li a7, 64ecallnopaddi sp, sp, 16ret.size dump_char, .-dump_char.align 4.global dump_str_array.type dump_str_array, function
dump_str_array:addi sp, sp, -48bnez a0, 1faddi sp, sp, 48ret
1:sd s0, 0x8(sp)sd s1, 0x10(sp)sd s2, 0x18(sp)sd ra, 0x20(sp)mv s0, a0mv s1, a12:bgtz s1, 3flbu a0, 0x0(s0)beqz a0, 4f
3:mv a0, s0call dump_straddi s2, a0, 1li a0, 10call dump_charadd s0, s0, s2addi s1, s1, -1j 2b4:ld s0, 0x8(sp)ld s1, 0x10(sp)ld s2, 0x18(sp)ld ra, 0x20(sp)addi sp, sp, 48ret.size dump_str_array, . - dump_str_array.align 4.globl _pentry.type _pentry, function
_pentry:mv s4, spaddi sp, sp, -16lla a0, .Lstkptrcall dump_strmv a0, s4call dump_intli a0, 10call dump_charlla a0, .Lsp_0call dump_strld a0, 0x0(s4)call dump_intli a0, 10call dump_charlla a0, .Lsp_8call dump_strld a0, 0x8(s4)call dump_intli a0, 10call dump_charlla a0, .Lsp_10call dump_strld a0, 0x10(s4)call dump_intli a0, 10call dump_charlla a0, .Lsp_18call dump_strld a0, 0x18(s4)call dump_intli a0, 10call dump_charld a0, 0x8(s4)ld a1, 0x0(s4)call dump_str_arrayli a7, 93li a0, 8ecallnop.size _pentry, . - _pentry.section .rodata.str, aMS, progbits, 1.align 4
.Lstkptr:.string stackpointer: \0
.Lsp_0:.string stkptr[0x00]: \0
.Lsp_8:.string stkptr[0x08]: \0
.Lsp_10:.string stkptr[0x10]: \0
.Lsp_18:.string stkptr[0x18]: \0至此我们可以说基于riscv的应用层汇编的开发有了一个可行的方法。但若要深入了解riscv ISA仅编写应用层汇编是不够的还需要能够编写、运行Supervisor模式下的需要优先级的汇编指令这一点可以通过修改u-boot或Linux内核源码来学习有时间和精力的也可以从头写一个BareMetal的程序。
