Первая программа для Linux ARM64 и Android на MacOS

Рассмотрим компиляцию программы на MacOS для Linux ARM64/Android. (Создание программ под MacOS ARM64 или Apple Silicon рассматривается далее).

Установка Arm GNU Toolchain на MacOS

Наиболее популярным инструментом для компиляции кода ассемблера для arm представляет компилятор GAS от проекта GNU, который входит в состав комплекта инструментов для разработки под ARM - Arm GNU Toolchain. Итак, вначале установим данный набор инструментов. Для этого перейдем на официальный сайт компании Arm на страницу https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads. Здесь представлены поседние версии Arm GNU Toolchain для разных архитектур.

(Если в силу географической принадлежности доступ к сайту блокируется, то необходимый пакет инструментов для MacOS Intel x86-64 можно загрузить отсюда - arm-gnu-toolchain-13.2.rel1-darwin-x86_64-aarch64-none-elf.pkg)

Стоит отметить, для MacOS инструменты Arm GNU Toolchain доступны в двух вариантах - для архитектуры macOS x86_64 (архитектура Darwin) и для архитектуры Apple silicon (ARM M1/M2). Причем для каждой архитектуры доступны две группы пакетов:

• AArch32 bare-metal target (arm-none-eabi): для компиляции программ под 32-битные архитектуры без привязки к конкретной операционной системе

• AArch64 bare-metal target (aarch64-none-elf): для компиляции программ под 64-битные архитектуры без привязки к конкретной операционной системе

Поскольку нас интересует архитектура arm64, то обратимся к пакету AArch64 bare-metal target (aarch64-none-elf). Он доступен в двух вариантах: установочный файл pkg, который устанавливает все необходимые файлы, и tar.xz - архив, который содержит по сути те же самые файлы, которые мы можем распаковать в любое нужное для нас расположение. Выберем pkg-пакет для нашей архитекрутры. Например, если у нас MacOS на платформе Intel x86-64, то для загрузки выберем файл, который имеет в своем названии "darwin-x86_64" (в моем случае это файл arm-gnu-toolchain-12.2.rel1-darwin-x86_64-aarch64-none-elf.pkg)

После загрузки загрузочный пакет и выполним пошаговую установку

По умолчанию этот комплект устанавливается в системе в папку программ. В моем случае это /Applications/ArmGNUToolchain/12.2.rel1/aarch64-none-elf/bin.

В этом комплекте нам понадобится прежде всего сам ассемблер - файл aarch64-none-elf-as, который по коду ассемблера Arm64 создает объектный файл. Кроме того, также потребуется файл aarch64-none-elf-ld, который также располагается в этой папке и который генерирует из объектного файла исполныемый файл.

Чтобы не прописывать каждый полный путь к компилятору, добавим в переменные среды путь к компилятору (к папке bin). Для этот введем в терминале команду

nano ~/.zshrc

Она создаст (если его еще нет) и откроет файл .zshrc. В этом файле пропишем в файле строку

export PATH=/Applications/ArmGNUToolchain/12.2.rel1/aarch64-none-elf/bin:$PATH

Перезагрузим терминал, чтобы изменения вступили в силу. Затем проверим установку компилятора следующей командой:

aarch64-none-elf-as --version

Мы должны получить вывод типа следующего:

eugene@MacBook-Pro-Eugene ~ % aarch64-none-elf-as --version
GNU assembler (Arm GNU Toolchain 12.2.Rel1 (Build arm-12.24)) 2.39.0.20221210
Copyright (C) 2022 Free Software Foundation, Inc.
This program is free software; you may redistribute it under the terms of
the GNU General Public License version 3 or later.
This program has absolutely no warranty.
This assembler was configured for a target of `aarch64-none-elf'.
eugene@MacBook-Pro-Eugene ~ % 

Создание первой программы

Теперь напишем первую простейшую программу, которая просто будет выводить на консоль некоторую строку. Для этого создадим какой-нибудь каталог, например, arm. Создадим в этого каталоге новый файл hello.s (обычно файлы с кодом ассемблера arm имеют расширение .s). Определим в этом файл следующий код:

.global _start          // устанавливаем стартовый адрес программы

_start: mov X0, #1          // 1 = StdOut - поток вывода
    ldr X1, =hello             // строка для вывода на экран
    mov X2, #19                // длина строки
    mov X8, #64                // устанавливаем функцию Linux
    svc 0                      // вызываем функцию Linux для вывода строки

    mov X0, #0                 // Устанавливаем 0 как код возврата
    mov X8, #93                // код 93 представляет завершение программы
    svc 0                      // вызываем функцию Linux для выхода из программы

.data
    hello: .ascii "Hello METANIT.COM!\n"    // данные для вывода

Для большего понимания я снабдил программу комментариями. GNU Assembler использует тот же самый синтаксис комментариев, что и C/C++ и другие си-подобные языки: одиночный комментарий начинается с двойного слеша //. Также можно использовать многострочный комментарий с помощью символов /∗ и ∗/, между которыми помещается текст комментария (/* текст комментария */

Вначале надо указать линкеру (в нашем случае программа ld) стартовую точку программы. В данной программе стартовая точка программы проецируется на метку _start. И чтобы линкер получил к ней доступ, определяет _start в качестве глобальной переменной с помощью оператора global.

.global _start

Одна программа может состоять из множества файлов, но только один из них может иметь точку входа в программу _start

Далее идут собственно действия программы. Вначале вызывается инструкция mov, которая помещает данные в регистр.

mov X0, #1

Значения X0-X2 представляют регистры для параметров функции в Linux. В данном случае помещаем в регистр X0 значение "#1". Операнды начинаются со знака "#" Число 1 представляет номер стандартного потока вывода "StdOut".

Далее загружаем в регистр X1 адрес строки для вывода на экран с помощью инструкции ldr

ldr X1, =hello 

Затем также с помощью инструкции mov помещаем в регистр X2 длину выводимой строки

mov X2, #19

Для любого системного вызова в Linux параметры помещаются в регистры X0–X7 в зависимости от количества. Затем в регистр X0 помещается код возврата. А сам системный вызов определяется номером функции из регистра X8. Здесь помещаем в X8 функцию с номеро 64 (функция write)

mov X8, #64

Далее выполняем системный вызов с помощью оператора svc

svc 0 

Операционная система, используя параметры в регистрах и номер функции, выведет строку на экран.

После этого нам надо выйти из программы. Для этого помещаем в регистр X0 число 0

mov X0, #0

А в регистр X8 передаем число 93 - номер функции для выхода из программы (функция exit)

mov X8, #93

И с помощью svc также выполняем функции. После этого программа должна завершить выполнение.

В самом конце программы размещена секция данных

.data
hello: .ascii "Hello METANIT.COM!\n"    // данные для вывода

Оператор .data указывает, что дальше идет секция данных. Выражение .ascii выделяет память и помещает в нее указанную далее строку.

Строка завершается символом перевода строки "\n", чтобы не надо было нажимать на Return, чтобы увидеть текст в окне терминала.

Компиляция приложения

Для компиляции приложения откроем терминал/командную строку и командой cd перейдем к папке, где расположен файл hello.s с исходным кодом программы. И для компиляции выполним команду:

aarch64-none-elf-as hello.s -o hello.o

Компилятору aarch64-none-elf-as в качестве параметра передается файл с исходным кодом hello.s. А параметр -o указывает, в какой файл будет компилироваться программа - в данном случае в файл hello.o. Соответственно в папке программы появится файл hello.o

Затем нам нужно скомпновать программу с исполняемый файл с помощью линкера aarch64-none-elf-ld командой:

aarch64-none-elf-ld hello.o -o hello

После этого в папке программы появится исполняемый файл hello, который мы можем запускать на устройстве с архитектурой ARM под управлением Linux.

Тестирование приложения на Android

Итак, у нас есть исполняемый файл программы. Мы ее можем протестировать. Для этого нам нужен Linux на устройстве с архитектурой ARM. В качестве такого устройства я возьму самый распространенный вариант - смартфон под управлением Android. Поскольку Android построен на базе Linux и как правило устанавливается на устройства с arm архитектурой.

Для установки файла на Android нам понадобится консольная утилита adb, которая устанавливается в рамках Android SDK. Android SDK обычно устанавливается вместе с Android Studio. Но если Android Studio не установлена, или необходимо установить отдельно, то можно загрузить пакет со страницы https://developer.android.com/studio/releases/platform-tools. Например, ссылка на пакет для архитектуры x86-64(Darvin): https://dl.google.com/android/repository/platform-tools-latest-darwin.zip. В составе этого пакета или в составе SDK в папке platforms-tools можно найти нужную нам утилиту adb.

Чтобы не набирать полный путь к adb, лучше прописать путь к ней в переменных среды.

Теперь переместим скомпилированный файл hello на устройство под Android. Для этого перейдем в консоли с помощью команды cd к папке с файлом hello используем следующую команду

[Путь_к_файлу_adb]/adb push hello /data/local/tmp/hello

То есть в данном случае используем команду push для помещения копии файла hello на смартфон в папку /data/local/tmp/

Далее перейдем к консоли устройства Android с помощью команды:

adb shell

Далее перейдем к папке /data/local/tmp с помощью команды

cd /data/local/tmp

Затем изменим режим файла, чтобы его можно было запустить:

chmod +x hello

и в конце выполним файл hello

./hello

И на консоль должна быть выведена строка "Hello METANIT.COM!"