C語言和匯編如何互相調(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(jìn)行編程，使程序可以在C程序中實(shí)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。
- 程序中使用飽和算術(shù)運(yùn)算(Saturating Arithmetic)
- 程序需要對(duì)協(xié)處理器進(jìn)行操作
- 在C程序中完成對(duì)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(hào)+分號(hào)，括號(hào)內(nèi)容寫匯編指令。指令+\n\t 用雙引號(hào)引上。
參數(shù)
「asm code」主要填寫匯編代碼：
- "mov r0, r0\n\t"
- "mov r1,r1\n\t"
- "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:
- 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(duì)于C語言來說這是一條語句
- 匯編代碼必須放在一個(gè)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(gè)字符串，注意中間不能有任何符號(hào)，這樣就會(huì)將兩個(gè)字符串合并為一個(gè)
- 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 \n\t"
- "bic r0,r0,#0x80 \n\t"
- "msr cpsr,r0 \n\t"
- );
例2：有參數(shù) ，有返回值 讓內(nèi)聯(lián)匯編做加法運(yùn)算，求a+b，結(jié)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 對(duì)應(yīng)變量c %1 對(duì)應(yīng)變量a %2 對(duì)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(yùn)算，求a+b，結(jié)果存在sum中，把a(bǔ)-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 對(duì)應(yīng)變量c %1 對(duì)應(yīng)變量a %2 對(duì)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(dú)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(shí)的一些基本規(guī)則，包括下面3方面的內(nèi)容：
- 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(shí)，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。
2)在子程序中，使用寄存器R4～R11來保存局部變量.這時(shí)，寄存器 R4 ～ R11可以記作V1 ～ V8。如果在子程序中使用到了寄存器V1～V8中的某些寄存器，子程序進(jìn)入時(shí)必須保存這些寄存器的值，在返回前必須恢復(fù)這些寄存器的值;對(duì)于子程序中沒有用到的寄存器則不必進(jìn)行這些操作。在Thumb程序中，通常只能使用寄存器R4～R7來保存局部變量。
3)寄存器R12用作過程調(diào)用時(shí)的臨時(shí)寄存器(用于保存SP，在函數(shù)返回時(shí)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(jìn)入子程序時(shí)的值和退出子程序時(shí)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(jì)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(duì)齊。
而對(duì)于匯編程序來說,如果目標(biāo)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(duì)齊的，也就是要保證在進(jìn)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(gè)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(duì)齊的.
3、參數(shù)的傳遞規(guī)則：
根據(jù)參數(shù)個(gè)數(shù)是否固定,可以將子程序分為參數(shù)個(gè)數(shù)固定的子程序和參數(shù)個(gè)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(gè)數(shù)可變的子程序參數(shù)傳遞規(guī)則
對(duì)于參數(shù)個(gè)數(shù)可變的子程序,當(dāng)參數(shù)不超過4個(gè)時(shí),可以使用寄存器R0~R3來進(jìn)行參數(shù)傳遞,當(dāng)參數(shù)超過4個(gè)時(shí),還可以使用數(shù)據(jù)棧來傳遞參數(shù).
在參數(shù)傳遞時(shí),將所有參數(shù)看做是存放在連續(xù)的內(nèi)存單元中的字?jǐn)?shù)據(jù)。然后,依次將各名字?jǐn)?shù)據(jù)傳送到寄存器R0,R1,R2,R3; 如果參數(shù)多于4個(gè),將剩余的字?jǐn)?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(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)先入棧.
按照上面的規(guī)則,一個(gè)浮點(diǎn)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(gè)數(shù)固定的子程序參數(shù)傳遞規(guī)則
對(duì)于參數(shù)個(gè)數(shù)固定的子程序,參數(shù)傳遞與參數(shù)個(gè)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(diǎn)運(yùn)算的硬件部件。
浮點(diǎn)參數(shù)將按照下面的規(guī)則傳遞: (1)各個(gè)浮點(diǎn)參數(shù)按順序處理; (2)為每個(gè)浮點(diǎn)參數(shù)分配FP寄存器;
分配的方法是,滿足該浮點(diǎn)參數(shù)需要的且編號(hào)最小的一組連續(xù)的FP寄存器.第一個(gè)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(gè)32位的整數(shù)時(shí),可以通過寄存器R0返回.
- 2.結(jié)果為一個(gè)64位整數(shù)時(shí),可以通過R0和R1返回，依此類推.
- 3.對(duì)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(gè)?」答：因?yàn)閰?shù)超過4個(gè)就需要壓棧退棧，而壓棧退棧需要增加很多指令周期。對(duì)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(jiǎn)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));
- a->r0,b->r1
- 返回值通過r0返回計(jì)算結(jié)果給c代碼
例2，用匯編實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(chǔ)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 <stdio.h>
- 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(jì)算2*i(第2個(gè)參數(shù))
- ADD R2, R1, R0 ;計(jì)算3*i(第3個(gè)參數(shù))
- ADD R3, R1, R2 ;計(jì)算5*i
- STR R3, [SP, #-4]! ;第5個(gè)參數(shù)通過堆棧傳遞
- ADD R3, R1, R1 ;計(jì)算4*i(第4個(gè)參數(shù))
- BL fcn ;調(diào)用C程序
- ADD sp, sp, #4 ;從堆棧中刪除第五個(gè)參數(shù)
- .end
假設(shè)程序進(jìn)入f時(shí)，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(shí)例
為了讓讀者有個(gè)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(duì)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, %1\n\t"－－－－讓CPU進(jìn)入IRQ mode
- "add r14, %0, %2\n\t"－－－－r14寄存器保存stk->irq
- "mov sp, r14\n\t"－－－－設(shè)定IRQ mode的stack為stk->irq
- "msr cpsr_c, %3\n\t"
- "add r14, %0, %4\n\t"
- "mov sp, r14\n\t"－－－－設(shè)定abt mode的stack為stk->abt
- "msr cpsr_c, %5\n\t"
- "add r14, %0, %6\n\t"
- "mov sp, r14\n\t"－－－－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(duì)應(yīng)上面代碼中的%0
- PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | IRQ_MODE),－－－－對(duì)應(yīng)上面代碼中的%1
- "I" (offsetof(struct stack, irq[0])),－－－－對(duì)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
- }
