如何在 ARM 或 THUMB 模式下写入 function 以读取 ARM CPSR？

Question

我正在使用 ARMv7 (Cortex-A7) 系统，我想在 ARM 模式或 THUMB 模式下从 C 文件读取 CPSR。

首先，我在 C function 中使用了嵌入式 ASSEMBLY 指令，如下所示，

 __asm__ volatile("mrs %0, CPSR\n" : "=r"(regval));

当我用 -mthumb 编译 C 文件并用 GDB 运行代码时，它显示 regval 是 0x60000010，这不是 GDB 显示的 0x60000030！

那么如何写一个function在ARM或THUMB模式下读取CPSR呢？

更新了编译选项

a) 使用以下命令行构建代码以指定 THUMB 模式。
arm-linux-gnueabi-gcc -g2 backtrace.c -mcpu=cortex-a7 -static -mthumb -o tbacktrace使用 qemu 和 GDB 运行 tbacktrace，我得到了不同的值，

(gdb) p/x regval
$7 = 0x60000010
(gdb) p/x $cpsr
$8 = 0x60000030

问题是为什么我的mrs %0, CPSR\n显示 CPSR 是 ARM 模式，而不是构建代码的 THUMB 模式。

b) 当使用命令行构建代码时（不指定-mcpu=cortex-a7），

arm-linux-gnueabi-gcc -g2 backtrace.c -mthumb -o tbacktrace

那里报告了以下错误。

$ arm-linux-gnueabi-gcc -g2 backtrace.c -mthumb -o tbacktrace
/tmp/ccOg2tlo.s: Assembler messages:
/tmp/ccOg2tlo.s:2256: Error: selected processor does not support `mrs r3,CPSR' in Thumb mode
/tmp/ccOg2tlo.s:2398: Error: selected processor does not support `mrs r3,CPSR' in Thumb mode

c) 在没有-mcpu 或-mthumb 的情况下构建代码，代码可以很好地构建和运行。 所以我认为应该有一些其他方法可以在 ARM 和 THUMB 模式下获得正确的CPSR。

Answer 1

CPSR.c ：

#include <stdint.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
  uint32_t regval;
  asm volatile("mrs %0, CPSR" : "=r"(regval));
  return regval;
}

如果您不使用-mcpu=cortex-a7 ，您的编译器将默认使用另一个 CPU：

/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-gcc -O0 -nostartfiles -nostdlib -Wl,--section-start=.text=0x80800000 -S CPSR.c

cat CPSR.s 
        .cpu arm7tdmi
        .arch armv4t

    

ARM7TDMI-S 于 2001 年推出，正如您的编译器所指出的，似乎不支持不支持 Thumb 模式下的mrs r3,CPSR 。 因此，您必须指定-mcpu=cortex-a7 ：

/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-gcc -mcpu=cortex-a7 -O0 -nostartfiles -nostdlib -Wl,--section-start=.text=0x80800000 -S CPSR.c

cat CPSR.s 
       .cpu cortex-a7
       .arch armv7-a

CPU 和架构现在符合预期。

在真实硬件上测试您的代码 - 运行u-boot的 Cortex-A7 - 在 Arm 和 Thumb 模式下：

Arm：

/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-gcc -O0 -mcpu=cortex-a7 -marm -nostartfiles -nostdlib -Wl,--section-start=.text=0x80800000 -o CPSR-arm.elf CPSR.c
/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/../lib/gcc/arm-none-eabi/10.3.1/../../../../arm-none-eabi/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 0000000080800000
/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-objcopy -O srec CPSR-arm.elf CPSR-arm.srec
/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-objdump -j .text -D CPSR-arm.elf

CPSR-arm.elf:     file format elf32-littlearm


Disassembly of section .text:

80800000 <main>:
80800000:       e52db004        push    {fp}            ; (str fp, [sp, #-4]!)
80800004:       e28db000        add     fp, sp, #0
80800008:       e24dd01c        sub     sp, sp, #28
8080000c:       e50b0010        str     r0, [fp, #-16]
80800010:       e50b1014        str     r1, [fp, #-20]  ; 0xffffffec
80800014:       e50b2018        str     r2, [fp, #-24]  ; 0xffffffe8
80800018:       e10f3000        mrs     r3, CPSR
8080001c:       e50b3008        str     r3, [fp, #-8]
80800020:       e51b3008        ldr     r3, [fp, #-8]
80800024:       e1a00003        mov     r0, r3
80800028:       e28bd000        add     sp, fp, #0
8080002c:       e49db004        pop     {fp}            ; (ldr fp, [sp], #4)
80800030:       e12fff1e        bx      lr

I.MX7d 运行 u-boot：

# loads
## Ready for S-Record download ...

## First Load Addr = 0x80800000
## Last  Load Addr = 0x80800033
## Total Size      = 0x00000034 = 52 Bytes
CACHE: Misaligned operation at range [80800000, 80800034]
## Start Addr      = 0x80800000
# go 0x80800000
## Starting application at 0x80800000 ...
## Application terminated, rc = 0x200000D3

拇指：

/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-gcc -O0 -mcpu=cortex-a7 -mthumb -nostartfiles -nostdlib -Wl,--section-start=.text=0x80800000 -o CPSR-thumb.elf CPSR.c
/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/../lib/gcc/arm-none-eabi/10.3.1/../../../../arm-none-eabi/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 0000000080800000
/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-objcopy -O srec CPSR-thumb.elf CPSR-thumb.srec
/opt/arm/10/gcc-arm-none-eabi-10.3-2021.10/bin/arm-none-eabi-objdump -j .text -D CPSR-thumb.elf

CPSR-thumb.elf:     file format elf32-littlearm


Disassembly of section .text:

80800000 <main>:
80800000:       b480            push    {r7}
80800002:       b087            sub     sp, #28
80800004:       af00            add     r7, sp, #0
80800006:       60f8            str     r0, [r7, #12]
80800008:       60b9            str     r1, [r7, #8]
8080000a:       607a            str     r2, [r7, #4]
8080000c:       f3ef 8300       mrs     r3, CPSR
80800010:       617b            str     r3, [r7, #20]
80800012:       697b            ldr     r3, [r7, #20]
80800014:       4618            mov     r0, r3
80800016:       371c            adds    r7, #28
80800018:       46bd            mov     sp, r7
8080001a:       bc80            pop     {r7}
8080001c:       4770            bx      lr

I.MX7d 运行 u-boot：

# loads
## Ready for S-Record download ...

## First Load Addr = 0x80800000
## Last  Load Addr = 0x8080001D
## Total Size      = 0x0000001E = 30 Bytes
CACHE: Misaligned operation at range [80800000, 8080001e]
## Start Addr      = 0x80800000
# 
# go 0x80800001
## Starting application at 0x80800001 ...
## Application terminated, rc = 0x200000D3

最重要的是，两个版本都为 CPSR 返回了相同的值，即0x200000D3 。

对于问题

如何在 ARM 或 THUMB 模式下写入 function 以读取 ARM CPSR？

答案将是：你做的方式。 询问为什么p/x regval和p/x $cpsr没有返回相同的值应该是另一个问题的主题，可能在 GDB 论坛上。

Answer 2

该指令按设计和记录工作。

不一致的是bit 5，根据ARMv7-A Architecture Reference Manual ，它是T位，表示处理器是否在Thumb state。它是“执行state位”之一。 在该页面的下方，在“访问执行 state 位”下，它说：

当由 MRS 指令读取时，执行的 state 位（E 位除外）为 RAZ [读为零]。

所以mrs rN, CPSR屏蔽掉了这些位。 我不确定为什么要这样设计。 但原则上您应该已经知道您是否在 Thumb state 中，因此实际上没有必要从 CPSR 中读取此信息。

另一方面，gdb 没有从mrs rN, CPSR获得它的 CPSR 值。 我没有检查过，但我想会发生什么：当你的程序遇到断点时，会产生一个异常。 这会导致 CPSR 被保存到 SPSR（不屏蔽任何位），并且内核的异常处理程序从那里检索它，并将其作为已保存的进程上下文的一部分与寄存器值一起存储。 等等。保存的上下文通过适当的系统调用（例如ptrace(2) ）可供调试器使用，这就是它能够显示寄存器内容等的方式。 特别是，它获取在断点处保存且未屏蔽的 CPSR 值。