生成armv4汇编

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显然学习体系结构能随时生成汇编非常方便。教学使用的体系结构是 armv4，不过现代编译器默认生成的已经是 armv8 了，连指令宽度都不一样。有必要学习怎么编译和查看 armv4 编译。

MacOS (Apple Silicon)

这是比较方便的。Apple Silicon 使用的就是 arm 体系结构，因此，使用标配的 clang 就可以生成。

首先要获取 Xcode command line tools。终端输入：

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$ xcode-select

用 clang -v 确认安装情况：

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$ clang -v
Apple clang version 17.0.0 (clang-1700.0.13.5)
Target: arm64-apple-darwin24.6.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin

要想编译一段 C 代码，使用如下的命令：

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$ clang -target armv4-none-eabi -march=armv4 -mno-thumb -O1 -g -c source.c -o source.o

其中 -target 指定生成目标，-march 进一步指定体系结构，-mno-thumb 禁用 thumb 指令集。

-O1 进行一些基本优化，如果完全不优化，那么变量将不会常驻在寄存器里，每一行代码都会编译出 LDR 和 STR。

-g 指定插入调试信息，这样查看时可以看到汇编对应的代码行。source.c 是源代码的名字。

-c 指定只生成目标文件 source.o，跳过链接阶段，不生成可执行文件。

要想查看汇编，使用如下命令：

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$ objdump --mcpu=cortex-a7 -S source.o

--mcpu 参数指定目标 cpu。-S 指定包含调试信息。

我们来看个例子：

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//source .c
int f(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int a = 1, b = 2;
    int c = f(a, b);
    return c;
}

编译并查看得到：

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$ clang -target armv4-none-eabi -march=armv4 -mno-thumb -O1 -g -c source.c -o source.o && objdump --mcpu=cortex-a7 -S source.o

source.o:	file format elf32-littlearm

Disassembly of section .text:

00000000 <f>:
;     return a + b;
       0: e0810000     	add	r0, r1, r0
       4: e1a0f00e     	mov	pc, lr

00000008 <main>:
;     return c;
       8: e3a00003     	mov	r0, #3
       c: e1a0f00e     	mov	pc, lr

可以看到一些有趣的观察：int a = 1, b = 2 这一行直接消失了，因为 -O1 优化直接算出了 1+2=3，因此最终生成的代码直接给返回值寄存器 r0 写入了立即数 #3。读者可以自行尝试用 -O0 优化会得到什么。

Linux(amd64)

在非 arm 设备上，我们需要专门的交叉编译器 arm-none-eabi-gcc。在 ubuntu 上，安装这个包：

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$ sudo apt install gcc-arm-none-eabi

对于其他的 Linux 发行版，可以自行搜索一下。安装完成后用如下命令检查：

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$ arm-none-eabi-gcc -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=arm-none-eabi-gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/arm-none-eabi/14.2.0/lto-wrapper
Target: arm-none-eabi
Configured with: /build/arm-none-eabi-gcc/src/gcc-14.2.0/configure --target=arm-none-eabi --prefix=/usr --with-sysroot=/usr/arm-none-eabi --with-native-system-header-dir=/include --libexecdir=/usr/lib --enable-languages=c,c++ --enable-plugins --disable-decimal-float --disable-libffi --disable-libgomp --disable-libmudflap --disable-libquadmath --disable-libssp --disable-libstdcxx-pch --disable-nls --disable-shared --disable-threads --disable-tls --with-gnu-as --with-gnu-ld --with-system-zlib --with-newlib --with-headers=/usr/arm-none-eabi/include --with-python-dir=share/gcc-arm-none-eabi --with-gmp --with-mpfr --with-mpc --with-isl --with-libelf --enable-gnu-indirect-function --with-host-libstdcxx='-static-libgcc -Wl,-Bstatic,-lstdc++,-Bdynamic -lm' --with-pkgversion='Arch Repository' --with-bugurl=https://gitlab.archlinux.org/archlinux/packaging/packages/arm-none-eabi-gcc/-/issues --with-multilib-list=rmprofile
Thread model: single
Supported LTO compression algorithms: zlib zstd
gcc version 14.2.0 (Arch Repository)

对应的编译指令为：

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$ arm-none-eabi-gcc -march=armv4 -O1 -g -c source.c -o source.o

不再需要 target，因为这是特定的交叉编译器。对应的查看指令：

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$ arm-none-eabi-objdump -S source.o

也不需要指定目标 cpu。最后附一个相对复杂的函数，用于检验工作是否正常。读者也可以仔细研究编译器是如何重排指令优化跳转的。

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// source.c
int f(int n, int k) {
    int b;
    b = k + 2;
    if (n == 0) b = 10;
    else b = b + (n * n) + f(n - 1, k + 1);
    return b * k;
}
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$ arm-none-eabi-gcc -march=armv4 -O1 -g -c source.c -o source.o && arm-none-eabi-objdump -S source.o

source.o:     file format elf32-littlearm


Disassembly of section .text:

00000000 <f>:
int f(int n, int k) {
   0:	e92d4070 	push	{r4, r5, r6, lr}
   4:	e1a04001 	mov	r4, r1
    int b;
    b = k + 2;
    if (n == 0) b = 10;
   8:	e3500000 	cmp	r0, #0
   c:	03a0000a 	moveq	r0, #10
  10:	1a000001 	bne	1c <f+0x1c>
    else b = b + (n * n) + f(n - 1, k + 1);
    return b * k;
}
  14:	e0000094 	mul	r0, r4, r0
  18:	e8bd8070 	pop	{r4, r5, r6, pc}
    b = k + 2;
  1c:	e2815002 	add	r5, r1, #2
    else b = b + (n * n) + f(n - 1, k + 1);
  20:	e0255090 	mla	r5, r0, r0, r5
  24:	e2811001 	add	r1, r1, #1
  28:	e2400001 	sub	r0, r0, #1
  2c:	ebfffffe 	bl	0 <f>
  30:	e0850000 	add	r0, r5, r0
  34:	eafffff6 	b	14 <f+0x14>

如果输出的汇编中，mla 和 mul 显示为 unknown，那么说明 objdump 没有被正确配置。特定的交叉编译器应该没有这个问题，Mac 上自带的 objdump 要检查 --mcpu 是否正确配置。