arm汇编align伪指令详解



一个值得讨论的伪指令是.align，它可能在很多时候不被人注意，但是不恰当的使用将导致程序无法运行，这种可能性在ARM系统上几乎是百分之百的发生。

.align的作用在于对指令或者数据的存放地址进行对齐，有些CPU架构要求固定的指令长度并且存放地址相对于2的幂指数圆整，否则程序无法正常运行，比如ARM；有些系统却不需要，如果不遵循地址的圆整规则，程序依然可以正确执行，只是降低了一些执行效率，比如i386。.align的作用范围只限于紧跟它的那条指令或者数据，而接下来的指令或者数据的地址由上一条指令的地址和其长度决定。这里给出一个很好的用来测试.align作用的例子，首先在i386上进行测试。

 

.section .text #定义代码段

data:
.byte 0x11

.align 2

.globl _start
_start:
movl data, %ebx
movl $1, %eax
int $0x80

 

这个程序没有实际的应用意义。为了防止编译出的目标文件中不同的段均从0开始而看不到.align的效果，这里只定义一个代码段，.byte数据将被编译进代码段，_start中的第一条指令将紧跟在0x11数据之后，我们使用 as -o test.o test.S && objdump -D test.o来查看反汇编的结果：

 

Disassembly of section .text:

00000000 :

0: 11 8d 76 00 bb 00 adc %ecx,0xbb0076(%ebp)

00000004 <_start>:

4: bb 00 00 00 00 mov $0x0,%ebx
9: a1 00 00 00 00 mov 0x0,%eax
e: cd 80 int $0x80

objdump尝试将代码段中的所有二进制数据当作指令解析，所以不要关心非代码段反汇编后的指令adc %ecx,0xbb0076(%ebp)。我们需要关心的是mov $0x0,%ebx所在的地址4，显然它和.align指定的4可以除尽，也即相对齐于4的倍数的地址。为了作一比较，移除.align 4，得到以下的反汇编结果，显然此时的第一条mov指令的对齐地址是1。

 

Disassembly of section .text:

00000000 :

0: 11 bb 00 00 00 00 adc %edi,0x0(%ebx)

00000001 <_start>:
1: bb 00 00 00 00 mov $0x0,%ebx
6: a1 00 00 00 00 mov 0x0,%eax
b: cd 80 int $0x80

 

对于i386编译器来说.align的参数4直接指明了对齐地址的圆整目标，汇编器总是要找到下一个可以整除该参数的地址作为.align后的那条指令的存放地址。.align参数的取值必须是2的幂指数，2^0到2^31都是合法的，而其它的值将会遭遇编译错误的提示：

# as  -o test.o test.S
test.S: Assembler messages:
test.S:4: Error: alignment not a power of 2

对于ARM编译器来说.align的用法和i386有相当大的差异，这也就是.align被混乱使用的根本原因。将上面的汇编程序改成ARM平台的汇编语言后的结果如下：

 

.section .test
data:
.byte 0x11
.align 2

.global _start
_start:
 mov r0, #data
 mov r7, #1
 svc 0x00000000

 

与它对应的反编译结果如下：

 

# arm-linux-as asm.S -o asm.o && arm-linux-objdump -D asm.o
......
Disassembly of section  .test:

00000000 <data>:
   0:    00000011     .word    0x00000011
    ...

00000010 <_start>:
  10:    e3a00000     mov    r0, #0    ; 0x0
  14:    e3a07001     mov    r7, #1    ; 0x1
  18:    ef000000     svc    0x00000000
  1c:    00000000     andeq    r0, r0, r0
Disassembly of section  .ARM.attributes:
......

出乎意料的是mov r0,4 #0指令的地址是0x10，也即16，不是4。ARM汇编器并不直接使用.align提供的参数作为对齐目标，而是使用2^n的值，比如这里的参数为4，那么圆整对象为2^4 = 16。这也就是为什么在ARM平台的Uboot或者Linux内核汇编中会出现.align 5的根本原因。.align此时的取值范围为0-15，当取值为0，2或者不提供参数时均圆整于4。如果尝试使用大于15的值，将会得到编译器的如下抱怨：

 

# arm-linux-as asm.S -o asm.o
asm.S: Assembler messages:
asm.S:4: Error: alignment too large: 15 assumed

另一点需要注意的是：ARM尝试使用0来填充.byte占用的一个字(ARM平台为4bytes)中剩余的比特位，但是其余的字将会用nop指令填充，这一点与i386也是不同的。以上的讨论关注于目标文件.o，而非最终的可执行文件，一个对于链接器的猜疑是它会不会改变我们的圆整目标，庆幸的是它不会，它会找到当前.o文件中的最大圆整值，并且以它的倍数偏移。由ARM支持非对齐地址的访问，所以指定指令的对齐即可保证程序的正确执行，但要保证程序的访问效率，对数据的对齐也是尤为重要。

如果分析过Uboot，可能会遇到类似.balignl的操作，对于是用如此生僻指令的开发习惯，这并不是好的做法，除非是迫不得已，否则它可以用更通用的指令代替。.balignl指令是.balign指令的变体，一个完整的指令是格式如下：

 

.balign[wl] align, fill_value, max_padding

.balign的所有参数均是可选的，align参数类细雨.align伪指令参数，但是这里它直接作为对齐参数，类似于i386平台的.align参数。fill_value用来填充空白字节的值，没有提供该参数，默认将是用nop指令填充。max_padding指定了最多可填充的字节数，如果实际需要填充的字节数大于该值那么整个.balign伪指令将失效。.balign使用字节来填充，比如.balign 4,0x10；.balignw使用双字节来填充，比如.balignw 4,0x1122;.balignl使用四字节来填充，比如.balignl 4,0x11223344。注意所有需要填充的字节数必须是[wl]参数指定的整倍数，否则将遭遇汇编器的抱怨：

 

.byte 0x11
.balignl 16,0x33445566

.global _start
_start:
 mov r7, #1
 swi 0x0000000

# arm-linux-as arm.S -o arm.o
arm.S: Assembler messages:
arm.S:3: Error: alignment padding (15 bytes) not a multiple of 4
arm.S:3: Error: alignment padding (15 bytes) not a multiple of 4

为了保证整倍数关系，如果删除.byte 0x11或者改成如下代码，抱怨将消失：

 

.byte 0x11
.ascii  "123"
.balignl 16,0x33445566

.global _start
_start:
 mov r7, #1
 swi 0x0000000

# arm-linux-as arm.S -o arm.o

注意 .ascii和.asciz的区别是，.asciz会在字符串后自动添加结束符\0.

参考资源： GNU AS汇编器官方文档