一、gcc 内联汇编

 

内联汇编即在 C 中直接使用汇编语句进行编程,使程序可以在 C 程序中实现 C 语言不能完成的一些工作,例如,在下面几种情况中必须使用内联汇编或嵌入型汇编。

 

  1. 程序中使用饱和算术运算(Saturating Arithmetic)程序需要对协处理器进行操作在 C 程序中完成对程序状态寄存器的操作

 

格式:

__asm__ __volatile__("asm code"
 :output
 :input
 :changed registers); 

 

asm 或 __asm__ 开头,小括号+分号,括号内容写汇编指令。指令+\n\t 用双引号引上。

 

参数

「asm code」主要填写汇编代码:

 

"mov r0, r0\n\t" 
"mov r1,r1\n\t" 
"mov r2,r2"

 

「output(asm->C)」用于定义输出的参数,通常只能是变量:

 

:"constraint" (variable)
"constraint"用于定义 variable 的存放位置:
 r 表示使用任何可用的寄存器
 m 表示使用变量的内存地址
 + 可读可写
 = 只写
 & 表示该输出操作数不能使用输入部分使用过的寄存器,只能用"+&"或"=&"的方式使用

 

「input(C->asm)」用于定义输入的参数,可以是变量也可以是立即数:

 

:"constraint" (variable/immediate)
"constraint"用于定义 variable 的存放位置:
 r 表示使用任何可用的寄存器(立即数和变量都可以)
 m 表示使用变量的内存地址
 i 表示使用立即数

 

Note:

  1. 使用 __asm__ 和 __volatile__ 表示编译器将不检查后面的内容,而是直接交给汇编器。如果希望编译器为你优化,__volatile__ 可以不加没有 asm code 也不能省略""没有前面的和中间的部分,不可以相应的省略:没有 changed 部分,必须相应的省略:最后的;不能省略,对于 C 语言来说这是一条语句汇编代码必须放在一个字符串内,且字符串中间不能直接按回车换行,可以写成多个字符串,注意中间不能有任何符号,这样就会将两个字符串合并为一个指令之间必须要换行,还可以使用 \t 使指令在汇编中保持整齐

 

举例

例 1:无参数,无返回值 这种情况,output 和 input 可以省略:

 

 asm
 ( // 汇编指令
  "mrs r0,cpsr     \n\t"
  "bic r0,r0,#0x80 \n\t"
  "msr cpsr,r0     \n\t"
 );

 

例 2:有参数 ,有返回值 让内联汇编做加法运算,求 a+b,结果存在 c 中

 

 int a =100, b =200, c =0;
 asm
 (
  "add %0,%1,%2\n\t"
  : "=r"(c)
  : "r"(a),"r"(b)
  : "memory"
 );

 

%0 对应变量 c %1 对应变量 a %2 对应变量 b

 

例 3:有参数 2 ,有返回值

 

让内联汇编做加法运算,求 a+b,结果存在 sum 中,把 a-b 的存在 d 中

 

 asm volatile
 (
  "add %[op1],%[op2],%[op3]\n\t"
  "sub %[op4],%[op2],%[op3]\n\t"
  :[op1]"=r"(sum),[op4]"=r"(d)
  :[op2]"r"(a),[op3]"r"(b)
  :"memory"
 );

 

%0 对应变量 c %1 对应变量 a %2 对应变量 b

 

三、ATPCS 规则:(ARM、thumber 程序调用规范)

为了使单独编译的 C 语言程序和汇编程序之间能够相互调用,必须为子程序之间的调用规定一定的规则 .ATPCS 就是 ARM 程序和 THUMB 程序中子程序调用的基本规则。

 

基本 ATPCS 规定了在子程序调用时的一些基本规则,包括下面 3 方面的内容:

 

  1. 各寄存器的使用规则及其相应的名称。数据栈的使用规则。参数传递的规则。

 

1. 寄存器的使用必须满足下面的规则:

1)子程序间通过寄存器 R0 一 R3 来传递参数,这时,寄存器 R0~R3 可以记作 A1-A4。被调用的子程序在返回前无需恢复寄存器 R0~R3 的内容。

 

3)寄存器 R12 用作过程调用时的临时寄存器(用于保存 SP,在函数返回时使用该寄存器出栈), 记作 ip。在子程序间的连接代码段中常有这种使用规则。

 

4)寄存器 R13 用作数据栈指针,记作 sp。在子程序中寄存器 R13 不能用作其他用途。寄存器 sp 在进入子程序时的值和退出子程序时的值必须相等。

 

5)寄存器 R14 称为连接寄存器,记作 lr。它用于保存子程序的返回地址。如果在子程序中保存了返回地址,寄存器 R14 则可以用作其他用途。

 

6)寄存器 R15 是程序计数器,记作 pc。它不能用作其他用途。

 

ATPCS 下 ARM 寄存器的命名:

 

寄存器 别名 功能
R0 a1 工作寄存器
R1 a2 工作寄存器
R2 a3 工作寄存器
R3 a4 工作寄存器
R4 v1 必须保护;局部变量寄存器
R5 v2 必须保护;局部变量寄存器
R6 v3 必须保护;局部变量寄存器
R7 v4 必须保护;局部变量寄存器
R8 v5 必须保护;局部变量寄存器
R9 v6 必须保护;局部变量寄存器
R10 sl 栈限制
R11 fp 帧指针
R12 ip 指令指针
R13 sp 栈指针
R14 lr 连接寄存器

 

2、堆栈使用规则:

ATPCS 规定堆栈为 FD 类型,即满递减堆栈。并且堆栈的操作是 8 字节对齐。

 

 

而对于汇编程序来说,如果目标文件中包含了外部调用,则必须满足以下条件:

 

外部接口的数据栈一定是 8 位对齐的,也就是要保证在进入该汇编代码后,直到该汇编程序调用外部代码之间,数据栈的栈指针变化为偶数个字;

 

在汇编程序中使用 PRESERVE8 伪操作告诉连接器,本汇编程序是 8 字节对齐的 .

 

3、参数的传递规则:

根据参数个数是否固定,可以将子程序分为参数个数固定的子程序和参数个数可变的子程序 . 这两种子程序的参数传递规则是不同的 .

 

1. 参数个数可变的子程序参数传递规则

对于参数个数可变的子程序,当参数不超过 4 个时,可以使用寄存器 R0~R3 来进行参数传递,当参数超过 4 个时,还可以使用数据栈来传递参数 .

 

在参数传递时,将所有参数看做是存放在连续的内存单元中的字数据。然后,依次将各名字数据传送到寄存器 R0,R1,R2,R3; 如果参数多于 4 个,将剩余的字数据传送到数据栈中,入栈的顺序与参数顺序相反,即最后一个字数据先入栈 .

 

按照上面的规则,一个浮点数参数可以通过寄存器传递,也可以通过数据栈传递,也可能一半通过寄存器传递,另一半通过数据栈传递。

 

举例:

 void func(a,b,c,d,e)
    a -- r0
    b -- r1
    c -- r2
    d -- r3
    e -- 栈

 

2. 参数个数固定的子程序参数传递规则

对于参数个数固定的子程序,参数传递与参数个数可变的子程序参数传递规则不同,如果系统包含浮点运算的硬件部件。

 

浮点参数将按照下面的规则传递: (1)各个浮点参数按顺序处理; (2)为每个浮点参数分配 FP 寄存器;

 

分配的方法是,满足该浮点参数需要的且编号最小的一组连续的 FP 寄存器 . 第一个整数参数通过寄存器 R0~R3 来传递,其他参数通过数据栈传递 .

 

3、子程序结果返回规则

  • 1. 结果为一个 32 位的整数时,可以通过寄存器 R0 返回 .2. 结果为一个 64 位整数时,可以通过 R0 和 R1 返回,依此类推 .3. 对于位数更多的结果,需要通过调用内存来传递 .

 

举例:
使用 r0 接收返回值

 int func1(int m, int n)
  m  -- r0
  n  -- r1
  返回值给 r0

 

「为什么有的编程规范要求自定义函数的参数不要超过 4 个?」答:因为参数超过 4 个就需要压栈退栈,而压栈退栈需要增加很多指令周期。对于参数比较多的情况,我们可以把数据封装到结构体中,然后传递结构体变量的地址。

 

四、C 语言和汇编相互调用

C 和汇编相互调用要特别注意遵守相应的 ATPCS 规则。

 

1. C 调用汇编

例 1:c 调用汇编文件中函数带返回值 简化代码如下,代码架构可以参考《7. 从 0 开始学 ARM-GNU 伪指令、代码编译,lds 使用》。

 

;.asm                                     
add:
 add r2,r0,r1
 mov r0,r2
    MOV pc, lr

main.c

extern int add(int a,int b);

printf("%d \n",add(2,3));

 

  1. a->r0,b->r1 返回值通过 r0 返回计算结果给 c 代码

 

例 2,用汇编实现一个 strcopy 函数

 

;.asm 
.global strcopy
strcopy:      ;R0 指向目的字符串 ;R1 指向源字符串 
 LDRB R2, [R1], #1   ;加载字字符并更新源字符串指针地址 
 STRB R2, [R0], #1   ;存储字符并更新目的字符串指针地址 
 CMP R2, #0   ;判断是否为字符串结尾 
 BNE strcopy   ;如果不是,程序跳转到 strcopy 继续循环 
 MOV pc, lr   ;程序返回
//.c 
#include  
extern void strcopy(char* des, const char* src); 
int main(){ 
 const char* srcstr = "yikoulinux"; 
 char desstr[]="test";
 strcopy(desstr, srcstr); 
 return 0; 
}

 

2. 汇编调用 C

//.c 
int fcn(int a, int b , int c, int d, int e)
{ 
 return a+b+c+d+e; 
}
;.asm ;
.text .global _start 
_start: 
 STR lr, [sp, #-4]! ;保存返回地址 lr 
 ADD R1, R0, R0 ;计算 2*i(第 2 个参数) 
 ADD R2, R1, R0 ;计算 3*i(第 3 个参数) 
 ADD R3, R1, R2 ;计算 5*i 
 STR R3, [SP, #-4]! ;第 5 个参数通过堆栈传递 
 ADD R3, R1, R1 ;计算 4*i(第 4 个参数) 
 BL fcn ;调用 C 程序 
 ADD sp, sp, #4 ;从堆栈中删除第五个参数 
 .end

 

假设程序进入 f 时,R0 中的值为 i ;

 

int f(int i){
 return fcn(i, 2*i, 3*i, 4*i, 5*i);
} 

 

五、内核实例

为了让读者有个更加深刻的理解, 以内核中的例子为例:

 

arch/arm/kernel/setup.c

 

void notrace cpu_init(void) 
{
    unsigned int cpu = smp_processor_id();----获取 CPU ID 
    struct stack *stk = &stacks[cpu];----获取该 CPU 对于的 irq abt 和 und 的 stack 指针
……
#ifdef CONFIG_THUMB2_KERNEL 
#define PLC    "r"----Thumb-2 下,msr 指令不允许使用立即数,只能使用寄存器。 
#else 
#define PLC    "I" 
#endif    __asm__ ( 
    "msr    cpsr_c, %1\n\t"----让 CPU 进入 IRQ mode 
    "add    r14, %0, %2\n\t"----r14 寄存器保存 stk->irq 
    "mov    sp, r14\n\t"----设定 IRQ mode 的 stack 为 stk->irq 
    "msr    cpsr_c, %3\n\t" 
    "add    r14, %0, %4\n\t" 
    "mov    sp, r14\n\t"----设定 abt mode 的 stack 为 stk->abt 
    "msr    cpsr_c, %5\n\t" 
    "add    r14, %0, %6\n\t" 
    "mov    sp, r14\n\t"----设定 und mode 的 stack 为 stk->und 
    "msr    cpsr_c, %7"---回到 SVC mode 
        :----上面是 code,下面的 output 部分是空的 
        : "r" (stk),----对应上面代码中的%0 
          PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | IRQ_MODE),----对应上面代码中的%1 
          "I" (offsetof(struct stack, irq[0])),----对应上面代码中的%2 
          PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | ABT_MODE),----以此类推,下面不赘述
          "I" (offsetof(struct stack, abt[0])), 
          PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | UND_MODE), 
          "I" (offsetof(struct stack, und[0])), 
          PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE) 
        : "r14");----上面是 input 操作数列表,r14 是要 clobbered register 列表 
}