C和匯編如何互相調(diào)用？嵌入式工程師必須掌握

一、gcc 內(nèi)聯(lián)匯編

內(nèi)聯(lián)匯編即在 C 中直接使用匯編語句進行編程，使程序可以在 C 程序中實現(xiàn) C 語言不能完成的一些工作，例如，在下面幾種情況中必須使用內(nèi)聯(lián)匯編或嵌入型匯編。

1. 程序中使用飽和算術(shù)運算(Saturating Arithmetic)程序需要對協(xié)處理器進行操作在 C 程序中完成對程序狀態(tài)寄存器的操作

格式：

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

asm 或 __asm__ 開頭，小括號+分號，括號內(nèi)容寫匯編指令。指令+nt 用雙引號引上。

參數(shù)

「asm code」主要填寫匯編代碼：

"mov?r0,?r0nt"?
"mov?r1,r1nt"?
"mov?r2,r2"

「output(asm->C)」用于定義輸出的參數(shù)，通常只能是變量：

:"constraint"?(variable)
"constraint"用于定義 variable 的存放位置：
?r?表示使用任何可用的寄存器
?m?表示使用變量的內(nèi)存地址
?+?可讀可寫
?=?只寫
?&?表示該輸出操作數(shù)不能使用輸入部分使用過的寄存器，只能用"+&"或"=&"的方式使用

「input(C->asm)」用于定義輸入的參數(shù)，可以是變量也可以是立即數(shù)：

:"constraint"?(variable/immediate)
"constraint"用于定義 variable 的存放位置：
?r?表示使用任何可用的寄存器(立即數(shù)和變量都可以)
?m?表示使用變量的內(nèi)存地址
?i?表示使用立即數(shù)

Note:

1. 使用 __asm__ 和 __volatile__ 表示編譯器將不檢查后面的內(nèi)容，而是直接交給匯編器。如果希望編譯器為你優(yōu)化，__volatile__ 可以不加沒有 asm code 也不能省略""沒有前面的和中間的部分，不可以相應(yīng)的省略:沒有 changed 部分，必須相應(yīng)的省略:最后的;不能省略，對于 C 語言來說這是一條語句匯編代碼必須放在一個字符串內(nèi)，且字符串中間不能直接按回車換行，可以寫成多個字符串，注意中間不能有任何符號，這樣就會將兩個字符串合并為一個指令之間必須要換行，還可以使用 t 使指令在匯編中保持整齊

舉例

例 1：無參數(shù)，無返回值 這種情況，output 和 input 可以省略：

?asm
?(?// 匯編指令
??"mrs?r0,cpsr?????nt"
??"bic?r0,r0,#0x80?nt"
??"msr?cpsr,r0?????nt"
?);

例 2：有參數(shù) ，有返回值 讓內(nèi)聯(lián)匯編做加法運算，求 a+b，結(jié)果存在 c 中

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

%0 對應(yīng)變量 c %1 對應(yīng)變量 a %2 對應(yīng)變量 b

例 3：有參數(shù) 2 ，有返回值

讓內(nèi)聯(lián)匯編做加法運算，求 a+b，結(jié)果存在 sum 中，把 a-b 的存在 d 中

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

%0 對應(yīng)變量 c %1 對應(yīng)變量 a %2 對應(yīng)變量 b

三、ATPCS 規(guī)則：（ARM、thumber 程序調(diào)用規(guī)范）

為了使單獨編譯的 C 語言程序和匯編程序之間能夠相互調(diào)用,必須為子程序之間的調(diào)用規(guī)定一定的規(guī)則 .ATPCS 就是 ARM 程序和 THUMB 程序中子程序調(diào)用的基本規(guī)則。

基本 ATPCS 規(guī)定了在子程序調(diào)用時的一些基本規(guī)則，包括下面 3 方面的內(nèi)容：

1. 各寄存器的使用規(guī)則及其相應(yīng)的名稱。數(shù)據(jù)棧的使用規(guī)則。參數(shù)傳遞的規(guī)則。

1. 寄存器的使用必須滿足下面的規(guī)則：

1）子程序間通過寄存器 R0 一 R3 來傳遞參數(shù)，這時，寄存器 R0～R3 可以記作 A1-A4。被調(diào)用的子程序在返回前無需恢復(fù)寄存器 R0～R3 的內(nèi)容。

3）寄存器 R12 用作過程調(diào)用時的臨時寄存器（用于保存 SP，在函數(shù)返回時使用該寄存器出棧）， 記作 ip。在子程序間的連接代碼段中常有這種使用規(guī)則。

4）寄存器 R13 用作數(shù)據(jù)棧指針，記作 sp。在子程序中寄存器 R13 不能用作其他用途。寄存器 sp 在進入子程序時的值和退出子程序時的值必須相等。

5）寄存器 R14 稱為連接寄存器，記作 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 則可以用作其他用途。

6）寄存器 R15 是程序計數(shù)器，記作 pc。它不能用作其他用途。

ATPCS 下 ARM 寄存器的命名：

2、堆棧使用規(guī)則：

ATPCS 規(guī)定堆棧為 FD 類型，即滿遞減堆棧。并且堆棧的操作是 8 字節(jié)對齊。

而對于匯編程序來說,如果目標文件中包含了外部調(diào)用,則必須滿足以下條件:

外部接口的數(shù)據(jù)棧一定是 8 位對齊的，也就是要保證在進入該匯編代碼后,直到該匯編程序調(diào)用外部代碼之間,數(shù)據(jù)棧的棧指針變化為偶數(shù)個字;

在匯編程序中使用 PRESERVE8 偽操作告訴連接器,本匯編程序是 8 字節(jié)對齊的 .

3、參數(shù)的傳遞規(guī)則：

根據(jù)參數(shù)個數(shù)是否固定,可以將子程序分為參數(shù)個數(shù)固定的子程序和參數(shù)個數(shù)可變的子程序 . 這兩種子程序的參數(shù)傳遞規(guī)則是不同的 .

1. 參數(shù)個數(shù)可變的子程序參數(shù)傳遞規(guī)則

對于參數(shù)個數(shù)可變的子程序,當參數(shù)不超過 4 個時,可以使用寄存器 R0~R3 來進行參數(shù)傳遞,當參數(shù)超過 4 個時,還可以使用數(shù)據(jù)棧來傳遞參數(shù) .

在參數(shù)傳遞時,將所有參數(shù)看做是存放在連續(xù)的內(nèi)存單元中的字數(shù)據(jù)。然后,依次將各名字數(shù)據(jù)傳送到寄存器 R0,R1,R2,R3; 如果參數(shù)多于 4 個,將剩余的字數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)棧中,入棧的順序與參數(shù)順序相反,即最后一個字數(shù)據(jù)先入棧 .

按照上面的規(guī)則,一個浮點數(shù)參數(shù)可以通過寄存器傳遞,也可以通過數(shù)據(jù)棧傳遞,也可能一半通過寄存器傳遞，另一半通過數(shù)據(jù)棧傳遞。

舉例：

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

2. 參數(shù)個數(shù)固定的子程序參數(shù)傳遞規(guī)則

對于參數(shù)個數(shù)固定的子程序,參數(shù)傳遞與參數(shù)個數(shù)可變的子程序參數(shù)傳遞規(guī)則不同,如果系統(tǒng)包含浮點運算的硬件部件。

浮點參數(shù)將按照下面的規(guī)則傳遞: （1）各個浮點參數(shù)按順序處理; （2）為每個浮點參數(shù)分配 FP 寄存器;

分配的方法是,滿足該浮點參數(shù)需要的且編號最小的一組連續(xù)的 FP 寄存器 . 第一個整數(shù)參數(shù)通過寄存器 R0~R3 來傳遞,其他參數(shù)通過數(shù)據(jù)棧傳遞 .

3、子程序結(jié)果返回規(guī)則

• 1. 結(jié)果為一個 32 位的整數(shù)時,可以通過寄存器 R0 返回 .2. 結(jié)果為一個 64 位整數(shù)時,可以通過 R0 和 R1 返回，依此類推 .3. 對于位數(shù)更多的結(jié)果,需要通過調(diào)用內(nèi)存來傳遞 .

舉例：
使用 r0 接收返回值

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

「為什么有的編程規(guī)范要求自定義函數(shù)的參數(shù)不要超過 4 個？」答：因為參數(shù)超過 4 個就需要壓棧退棧，而壓棧退棧需要增加很多指令周期。對于參數(shù)比較多的情況，我們可以把數(shù)據(jù)封裝到結(jié)構(gòu)體中，然后傳遞結(jié)構(gòu)體變量的地址。

四、C 語言和匯編相互調(diào)用

C 和匯編相互調(diào)用要特別注意遵守相應(yīng)的 ATPCS 規(guī)則。

1. C 調(diào)用匯編

例 1：c 調(diào)用匯編文件中函數(shù)帶返回值 簡化代碼如下，代碼架構(gòu)可以參考《7. 從 0 開始學(xué) ARM-GNU 偽指令、代碼編譯，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 返回值通過 r0 返回計算結(jié)果給 c 代碼

例 2，用匯編實現(xiàn)一個 strcopy 函數(shù)

;.asm?
.global?strcopy
strcopy:??????;R0 指向目的字符串?;R1 指向源字符串?
?LDRB?R2,?[R1],?#1???;加載字字符并更新源字符串指針地址?
?STRB?R2,?[R0],?#1???;存儲字符并更新目的字符串指針地址?
?CMP?R2,?#0???;判斷是否為字符串結(jié)尾?
?BNE?strcopy???;如果不是，程序跳轉(zhuǎn)到 strcopy 繼續(xù)循環(huán)?
?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. 匯編調(diào)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?;計算 2*i(第 2 個參數(shù))?
?ADD?R2,?R1,?R0?;計算 3*i(第 3 個參數(shù))?
?ADD?R3,?R1,?R2?;計算 5*i?
?STR?R3,?[SP,?#-4]!?;第 5 個參數(shù)通過堆棧傳遞?
?ADD?R3,?R1,?R1?;計算 4*i(第 4 個參數(shù))?
?BL?fcn?;調(diào)用 C 程序?
?ADD?sp,?sp,?#4?;從堆棧中刪除第五個參數(shù)?
?.end

假設(shè)程序進入 f 時，R0 中的值為 i ;

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

五、內(nèi)核實例

為了讓讀者有個更加深刻的理解， 以內(nèi)核中的例子為例：

arch/arm/kernel/setup.c

void?notrace?cpu_init(void)?
{
????unsigned?int?cpu?=?smp_processor_id();－－－－獲取 CPU?ID?
????struct?stack?*stk?=?&stacks[cpu];－－－－獲取該 CPU 對于的 irq?abt 和 und 的 stack 指針
……
#ifdef?CONFIG_THUMB2_KERNEL?
#define?PLC????"r"－－－－Thumb-2 下，msr 指令不允許使用立即數(shù)，只能使用寄存器。?
#else?
#define?PLC????"I"?
#endif????__asm__?(?
????"msr????cpsr_c,?%1nt"－－－－讓 CPU 進入 IRQ?mode?
????"add????r14,?%0,?%2nt"－－－－r14 寄存器保存 stk->irq?
????"mov????sp,?r14nt"－－－－設(shè)定 IRQ?mode 的 stack 為 stk->irq?
????"msr????cpsr_c,?%3nt"?
????"add????r14,?%0,?%4nt"?
????"mov????sp,?r14nt"－－－－設(shè)定 abt?mode 的 stack 為 stk->abt?
????"msr????cpsr_c,?%5nt"?
????"add????r14,?%0,?%6nt"?
????"mov????sp,?r14nt"－－－－設(shè)定 und?mode 的 stack 為 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),－－－－對應(yīng)上面代碼中的%0?
??????????PLC?(PSR_F_BIT?|?PSR_I_BIT?|?IRQ_MODE),－－－－對應(yīng)上面代碼中的%1?
??????????"I"?(offsetof(struct?stack,?irq[0])),－－－－對應(yīng)上面代碼中的%2?
??????????PLC?(PSR_F_BIT?|?PSR_I_BIT?|?ABT_MODE),－－－－以此類推，下面不贅述
??????????"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 操作數(shù)列表，r14 是要 clobbered?register 列表?
}