浅析ARMv8汇编指令adrp和adr

2024-04-02 19:55

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1.概述

在阅读Linux内核代码时，经常能碰到汇编代码，网上能查的资料千篇一律，大多都描述的很模糊。俗话说，实践是检验真理的唯一标准，我们就参考官方文档，自己写汇编代码并反汇编，探寻其中的奥妙。

2.adrp

在Linux内核启动代码primary_entry中，使用adrp指令获取Linux内核在内存中的起始页地址，页大小为4KB，由于内核启动的时候MMU还未打开，此时获取的Linux内核在内存中的起始页地址为物理地址。adrp通过当前PC地址的偏移地址计算目标地址，和实际的物理无关，因此属于位置无关码。对于具体的计算过程，下面慢慢分析。


[arch/arm64/kernel/head.S]
SYM_CODE_START(primary_entry)
    ......
	adrp	x23, __PHYS_OFFSET
	and	x23, x23, MIN_KIMG_ALIGN - 1  // KASLR offset, defaults to 0
    ......
SYM_CODE_END(primary_entry)

[arch/arm64/kernel/head.S]
#define __PHYS_OFFSET	KERNEL_START  // 内核的物理地址
[arch/arm64/include/asm/memory.h]
// 内核的起始地址和结束地址在vmlinux.lds链接脚本中定义
#define KERNEL_START    _text         // 内核代码段的起始地址，也即内核的起始地址
#define KERNEL_END		_end          // 内核的结束地址

2.1.定义

adrp指令根据PC的偏移地址计算目标页地址。首先adrp将一个21位有符号立即数左移12位，得到一个33位的有符号数（最高位为符号位），接着将PC地址的低12位清零，这样就得到了当前PC地址所在页的地址，然后将当前PC地址所在页的地址加上33位的有符号数，就得到了目标页地址，最后将目标页地址写入通用寄存器。此处页大小为4KB，只是为了得到更大的地址范围，和虚拟内存的页大小没有关系。通过adrp指令，可以获取当前PC地址±4GB范围内的地址。通常的使用场景是先通过adrp获取一个基地址，然后再通过基地址的偏移地址获取具体变量的地址。
下面是adrp指令的编码格式。立即数占用21位，在运行的时候，会将21位立即数扩展为33位有符号数。最高位为1，表示这是一个aarch64指令。

adrp

2.2.测试

Linux内核启动代码不好测试，需要写一个简单的测试代码。下面是本次adrp的测试代码，使用adrp指令获取g_val1和g_val2数组所在页的基地址，同时会打印数组的地址和调用函数的地址，由于是应用层的程序，这些地址都是虚拟地址，但是计算过程都是一样的。


#define PAGE_4KB    (4096) 
#define __stringify_1(x...)	#x
#define __stringify(x...)	__stringify_1(x)
uint64_t g_val1[PAGE_4KB / sizeof(uint64_t)];
uint64_t g_val2[PAGE_4KB / sizeof(uint64_t)];

#define ADRP(label)   ({          \
    uint64_t __adrp_val__ = 0;    \
    asm volatile("adrp %0," __stringify(label) :"=r"(__adrp_val__)); \
    __adrp_val__;                 \
})

static void adrp_test()
{
    printf("g_val1 addr 0x%lx, adrp_val1 0x%lx, adrp_test addr 0x%lx\n",
        (uint64_t)g_val1, ADRP(g_val1), (uint64_t)adrp_test);
    printf("g_val2 addr 0x%lx, adrp_val2 0x%lx, adrp_test addr 0x%lx\n",
        (uint64_t)g_val2, ADRP(g_val2), (uint64_t)adrp_test);
}

上面程序运行的输出结果如下，g_val1和g_val2的地址分别为0x5583e25028和0x5583e26028，g_val1的页基地址为0x5583e25000，g_val2页的基地址为0x5583e26000，adrp_test函数的地址为0x5583e1479c。


g_val1 addr 0x5583e25028, adrp_val1 0x5583e25000, adrp_test addr 0x5583e1479c
g_val2 addr 0x5583e26028, adrp_val2 0x5583e26000, adrp_test addr 0x5583e1479c

反汇编代码如下所示。下面分析一下g_val1页基地址的计算过程，包括编译时和运行时，g_val2页基地址的计算过程类似，这里不再赘述。

将g_val1址低低12位清零，得到0x1100，将当前adrp指令所在地址的低12清零，得到0x0（编译时完成）
0x1100减去0x0得到偏移地址0x11000，偏移地址右移12位得到偏移页数量0x11，将立即数0x11保存到指令编码中（编译时完成）
取出立即数0x11，左移12位转换成偏移的字节数，即0x11000（运行时完成）
将PC地址的低12位清零得到0x5583e14000（运行时完成）
将0x5583e14000加上0x1100得到g_val1运行时页基地址0x5583e25000（运行时完成）


000000000000079c <adrp_test>:  // 运行时的地址为0x5583e1479c
......
 7b0:	b0000080 	adrp	x0, 11000 <__data_start>    // 获取g_val1页基地址
......
 7e0:	d0000080 	adrp	x0, 12000 <g_val1+0xfd8>    // 获取g_val2页基地址

Disassembly of section .data:       // 数据段定义
0000000000011000 <__data_start>:    // 运行时的地址为0x5583e25000
	...
......
Disassembly of section .bss:        // bss段定义
0000000000011028 <g_val1>:    // 运行时地址为0x5583e25028
	...
0000000000012028 <g_val2>:    // 运行时地址为0x5583e26028
	...

从上面可以看出，编译时和运行时的地址不一样，但通过adrp指令都能正确获取g_val1页基地址和g_val2页基地址。说明adrp获取的地址是位置无关的，不管运行时的地址怎么变，都可以正确获取对应变量页基地址。当然我们也可以使用专业的反汇编工具，直接将机器码转换为汇编代码。上面两条adrp指令转换的汇编代码如下，和上面一样，这里的偏移地址都已经做了左移12位的处理。

rasm2-adrp

3.adr

3.1.定义

adr指令根据PC的偏移地址计算目标地址。偏移地址是一个21位的有符号数，加上当前的PC地址得到目标地址。adr可以获取当前PC地址±1MB范围内的地址。下面是adr指令的编码格式。立即数占用21位。

adr

3.2.测试

下面是测试代码，使用adr指令获取变量g_val3和g_val4的地址，并与通过&获取的地址进行对比。


uint64_t g_val3 = 0;
uint64_t g_val4 = 0;

#define ADR(label)   ({          \
    uint64_t __adr_val__ = 0;    \
    asm volatile("adr %0," __stringify(label) :"=r"(__adr_val__)); \
    __adr_val__;                 \
})

static void adr_test()
{
    printf("g_val3 addr 0x%lx, adr_val1 0x%lx, adr_test addr 0x%lx\n",
        (uint64_t)&g_val3, ADR(g_val3), (uint64_t)adr_test);
    printf("g_val4 addr 0x%lx, adr_val2 0x%lx, adr_test addr 0x%lx\n",
        (uint64_t)&g_val4, ADR(g_val4), (uint64_t)adr_test);
}

下面是测试结果，使用&获取的地址和通过adr获取的地址相同。


g_val3 addr 0x5583e25018, adr_val1 0x5583e25018, adr_test addr 0x5583e14810
g_val4 addr 0x5583e25020, adr_val2 0x5583e25020, adr_test addr 0x5583e14810

下面是反汇编的代码。可以看出，adr汇编代码中的偏移地址被objdump使用符号地址代替了，没有使用真正的偏移地址。g_val3真正的偏移地址为0x107f4，g_val4真正的偏移地址为0x107cc。执行第一条adr指令的PC地址为0x5583e14824，则0x5583e14824+0x107f4=0x5583e25018为g_val3的地址。g_val4的计算过程类似，不再赘述。


0000000000000810 <adr_test>:    // 运行地址为0x5583e14810
......
 824:	10083fa0 	adr	x0, 11018 <g_val3>  // 偏移地址为0x11018-0x824=0x107f4
......
 854:	10083e60 	adr	x0, 11020 <g_val4>  // 偏移地址为0x11020-0x854=0x107cc
......

isassembly of section .data:

0000000000011000 <__data_start>:
	...
......
Disassembly of section .bss:
......
0000000000011018 <g_val3>:      // 运行地址为0x5583e25018
	...

0000000000011020 <g_val4>:      // 运行地址为0x5583e25020
    ...

rasm2-adr