assembly - AArch64 重定位前缀

Question

我注意到一个 GNU asm relocation syntax用于 ARM 64 位汇编。那些碎片是什么#:abs_g0_nc:和 :pg_hi21: ?他们在哪里解释？他们是否有某种模式或他们是在旅途中编造的？我在哪里可以学到更多？

Answer 1

介绍

ELF64定义了两种类型的重定位条目，称为 REL 和 RELA:

typedef struct
{
    Elf64_Addr r_offset;    /* Address of reference */
    Elf64_Xword r_info;     /* Symbol index and type of relocation */
} Elf64_Rel;

typedef struct
{
    Elf64_Addr r_offset;    /* Address of reference */
    Elf64_Xword r_info;     /* Symbol index and type of relocation */
    Elf64_Sxword r_addend;  /* Constant part of expression */
} Elf64_Rela;

每个重定位条目的作用域是给加载器(静态或动态)四条信息:

要修补的指令的虚拟地址或偏移量。
这是由 r_offset 给出的.

访问的符号的运行时地址。
这是由 r_info 的较高部分给出的.

一个名为 addend 的自定义值
该值最终作为表达式中的一个操作数，用于计算将被写入以修补指令的值。
RELA 条目在 r_addend 中具有此值, REL 条目从重定位站点中提取它。

搬迁类型
这决定了用于计算修补指令的值的表达式类型。这是在 r_info 的下半部分编码的.

搬迁

在重定位阶段，加载器遍历所有重定位条目并写入每个 r_offset 指定的位置。 ，使用 r_info 下半部分选择的公式从加数( r_addend 用于 RELA)和符号地址(可从 r_info 的上半部分获得)计算要存储的值。

实际上写部分已经被简化，与其他架构相反，指令的立即数字段通常与用于编码操作的字节完全分开，在 ARM 中，立即数与其他编码信息混合。
所以加载器应该知道什么样的指令试图重定位，如果它根本是一条指令1，但不是让它反汇编重定位的位置，而是根据指令设置重定位类型的汇编程序。

每个重定位符号只能重定位一或两个编码等效的指令。
在特定情况下，重定位本身甚至会改变指令的类型。

在重定位期间计算的值计算被隐式扩展到 64 位，根据选择的重定位类型有符号或无符号。

AArch64 搬迁

由于 ARM 是具有固定指令大小的 RISC 架构，因此将全宽度(即 64 位)立即数加载到寄存器中并非易事，因为没有指令可以具有全宽度立即数字段。

AArch64 中的重定位也必须解决这个问题，它实际上是一个两方面的问题:首先，找到程序员打算使用的真实值(这是问题的纯重定位部分)；其次，找到一种方法将其放入寄存器，因为没有指令具有 64 位立即数字段。

第二个问题是通过使用组重定位来解决的，组中的每个重定位类型都用于计算 64 位值的 16 位部分，因此一个组中只能有四种重定位类型(从 G0 到 G3)。

这种切片为 16 位适合 movk (移动保持)， movz (移动归零)和 movn (逻辑上否定)。
其他说明，如 b , bl , adrp , adr等等，有一个特别适合他们的搬迁类型。

每当引用符号的给定指令只有一个这样明确的可能重定位类型时，汇编器就可以生成相应的条目，而无需程序员明确指定它。

组重定位不属于这一类，它们的存在是为了让程序员有一定的灵活性，因此通常是明确说明的。
在组中，重定位类型可以指定汇编器是否必须执行溢出检查。
G0 重定位，用于加载值的低 16 位，除非明确禁止，否则检查该值是否可以容纳 16 位(有符号或无符号，取决于使用的特定类型)。
G1 也是如此，加载第 31-16 位检查值是否适合 32 位。
因此，G3 始终不检查，因为每个值都适合 64 位。

最后，重定位可用于将整数值加载到寄存器中。
事实上，一个符号的地址只不过是一个任意整数常量。
请注意 r_addend是 64 位宽。

1 如果 r_offset指向数据部分中的一个站点，计算值在指定的位置写入为 64 位字。

搬迁运算符(operator)

首先，一些引用:

描述 ELF64 格式的重定位类型的 ARM 文档是 here , 第 4.6 节

一个测试 AArch64 汇编文件，大概包含所有可用于 GAS 的重定位操作符是 here here

公约

遵循 ARM 文档约定，我们有:

S is the runtime address of the symbol being relocated.
A is the addend for the relocation.
P is the address of the relocation site (derived from r_offset).
X is the result of a relocation operation, before any masking or bit-selection operation is applied.
Page(expr) is the page address of the expression expr, defined as expr & ~0xFFF, i.e. expr with the lower 12 bits cleared. GOT is the address of the Global Offset Table.
GDAT(S+A) represents a 64-bit entry in the GOT for address S+A. The entry will be relocated at run time with relocation R_AARCH64_GLOB_DAT(S+A).
G(expr) is the address of the GOT entry for the expression expr.
Delta(S) resolves to the difference between the static link address of S and the execution address of S. If S is the null symbol (ELF symbol index 0), resolves to the difference between the static link address of P and the execution address of P.
Indirect(expr) represents the result of calling expr as a function.
[msb:lsb] is a bit-mask operation representing the selection of bits in a value, bounds are inclusive.

运营商

重定位名称缺少前缀 R_AARCH64_为了紧凑。

|X|≤2^16 类型的表达式旨在为 -2^16 ≤ X < 2^16, 备注 右边的严格不平等。
这是对符号的滥用，由格式化表格的约束所调用。

集团搬迁

Operator    | Relocation name | Operation | Inst | Immediate | Check
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g0:    | MOVW_UABS_G0    | S + A     | movz | X[15:0]   | 0≤X≤2^16
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g0_nc: | MOVW_UABS_G0_NC | S + A     | movk | X[15:0]   | 
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g1:    | MOVW_UABS_G1    | S + A     | movz | X[31:16]  | 0≤X≤2^32
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g1_nc: | MOVW_UABS_G1_NC | S + A     | movk | X[31:16]  | 
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g2:    | MOVW_UABS_G2    | S + A     | movz | X[47:32]  | 0≤X≤2^48
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g2_nc: | MOVW_UABS_G2_NC | S + A     | movk | X[47:32]  | 
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g3:    | MOVW_UABS_G3    | S + A     | movk | X[64:48]  | 
            |                 |           | movz |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g0_s:  | MOVW_SABS_G0    | S + A     | movz | X[15:0]   | |X|≤2^16
            |                 |           | movn |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g1_s:  | MOVW_SABS_G1    | S + A     | movz | X[31:16]  | |X|≤2^32
            |                 |           | movn |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:abs_g2_s:  | MOVW_SABS_G2    | S + A     | movz | X[47:32]  | |X|≤2^48
            |                 |           | movn |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------

在表中显示了 ABS 版本，汇编程序可以根据引用的符号和输出格式的类型选择 PREL(PC 相关)或 GOTOFF(GOT 相关)版本。

此重定位运算符的典型用途是

Unsigned 64 bits                      Signed 64 bits   
movz    x1,#:abs_g3:u64               movz  x1,#:abs_g3_s:u64
movk    x1,#:abs_g2_nc:u64            movk  x1,#:abs_g2_nc:u64
movk    x1,#:abs_g1_nc:u64            movk  x1,#:abs_g1_nc:u64
movk    x1,#:abs_g0_nc:u64            movk  x1,#:abs_g0_nc:u64

通常使用一对一检查运算符，设置最高部分的运算符。
这就是为什么检查版本会重新定位 movz仅，而非检查版本重新定位 movk (其中部分设置了一个寄存器)。
G3 重新定位了两者，因为它本质上是非检查的，因为没有值可以超过 64 位。

签名版本以 _s 结尾他们总是在检查。
没有 G3 版本，因为如果使用 64 位值，则在值本身中指定了符号 if sully 。
它们始终仅用于设置最高部分，因为符号仅在此处相关。
他们总是检查有符号值的溢出是否使值的意义变小。
这些重定位将指令的类型更改为 movn或 movz基于值的符号，该符号有效地扩展了值。

集团搬迁，也可

PC 相关的 19、21、33 位地址

Operator    | Relocation name | Operation | Inst | Immediate | Check
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
[implicit]  | LD_PREL_LO19    | S + A - P | ldr  | X[20:2]   | |X|≤2^20
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
[implicit]  | LD_PREL_LO21    | S + A - P | adr  | X[20:0]   | |X|≤2^20
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
[implicit]  | LD_PREL_LO21    | S + A - P | adr  | X[20:0]   | |X|≤2^20
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:pg_hi21:   | ADR_PREL_PG     | Page(S+A) | adrp | X[31:12]  | |X|≤2^32
            | _HI21           | - Page(P) |      |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:pg_hi21_nc:| ADR_PREL_PG     | Page(S+A) | adrp | X[31:12]  | 
            | _HI21_NC        | - Page(P) |      |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:lo12:      | ADD_ABS_LO12_NC | S + A     | add  | X[11:0]   | 
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:lo12:      | LDST8_ABS_LO12  | S + A     | ld   | X[11:0]   | 
            | _NC             |           | st   |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:lo12:      | LDST16_ABS_LO12 | S + A     | ld   | X[11:1]   | 
            | _NC             |           | st   |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:lo12:      | LDST32_ABS_LO12 | S + A     | ld   | X[11:2]   | 
            | _NC             |           | st   |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:lo12:      | LDST64_ABS_LO12 | S + A     | prfm | X[11:3]   | 
            | _NC             |           |      |           |
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
:lo12:      | LDST128_ABS     | S + A     | ?    | X[11:4]   | 
            | _LO12_NC        |           |      |           |

:lo12:根据指令处理的数据大小改变含义(例如 ldrb 使用 LDST8_ABS_LO12_NC ， ldrh 使用 LDST16_ABS_LO12_NC )。

这些重定位的 GOT 相关版本也存在，汇编器将选择正确的。

控制流重定位

Operator    | Relocation name | Operation | Inst | Immediate | Check
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
[implicit]  | TSTBR14         | S + A - P | tbz  | X[15:2]   | |X|≤2^15
            |                 |           | tbnz |           |  
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
[implicit]  | CONDBR19        | S + A - P | b.*  | X[20:2]   | |X|≤2^20
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
[implicit]  | JUMP26          | S + A - P | b    | X[27:2]   | |X|≤2^27
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------
[implicit]  | CALL26          | S + A - P | bl   | X[27:2]   | |X|≤2^27
------------+-----------------+-----------+------+-----------+----------

结语

我找不到官方文档。
上表是根据 GAS 测试用例和解释可用于 AArch64 兼容 ELF 的重定位类型的 ARM 文档重建的。

这些表并未显示 ARM 文档中存在的所有重定位，因为它们中的大多数是补充版本，由汇编程序自动选取。

带有示例的部分会很棒，但我没有 ARM GAS。
将来，我可能会扩展此答案以包含程序集列表和重定位转储的示例。