作者 |土豆居士

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之前给大家分享过《单片机用汇编和C语言点灯程序的区别》，今天从另一个角度给大家分享一下C贺汇编的原理。

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)
2. 程序需要对协处理器进行操作
3. 在C程序中完成对程序状态寄存器的操作

__asm____volatile__("asmcode"
:output
:input
:changedregisters);

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。

「asm code」主要填写汇编代码：

"movr0,r0\n\t"
"movr1,r1\n\t"
"movr2,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。
2. 如果希望编译器为你优化，__volatile__可以不加
3. 没有asm code也不能省略""
4. 没有前面的和中间的部分，不可以相应的省略:
5. 没有changed 部分，必须相应的省略:
6. 最后的;不能省略，对于C语言来说这是一条语句
7. 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
8. 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

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
"mrsr0,cpsr\n\t"
"bicr0,r0,#0x80\n\t"
"msrcpsr,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

inta=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

asmvolatile
(
"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

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。
2. 数据栈的使用规则。
3. 参数传递的规则。

• 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。

• 
  

• 2）在子程序中，使用寄存器R4～R11来保存局部变量．这时，寄存器 R4 ～ R11可以记作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，子程序进入时必须保存这些寄存器的值，在返回前必须恢复这些寄存器的值；对于子程序中没有用到的寄存器则不必进行这些操作。在Thumb程序中，通常只能使用寄存器R4～R7来保存局部变量。

• 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

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:

1. 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;

2. 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.

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.

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：

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

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.

• 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

intfunc1(intm,intn)
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。

C和汇编相互调用要特别注意遵守相应的ATPCS规则。

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:
addr2,r0,r1
movr0,r2
MOVpc,lr

main.c

externintadd(inta,intb);

printf("%d\n",add(2,3));

1. a->r0,b->r1
2. 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
.globalstrcopy
strcopy:;R0指向目的字符串;R1指向源字符串
LDRBR2,[R1],#1;加载字字符并更新源字符串指针地址
STRBR2,[R0],#1;存储字符并更新目的字符串指针地址
CMPR2,#0;判断是否为字符串结尾
BNEstrcopy;如果不是，程序跳转到strcopy继续循环
MOVpc,lr;程序返回

//.c
#include<stdio.h>
externvoidstrcopy(char*des,constchar*src);
intmain(){
constchar*srcstr="yikoulinux";
chardesstr[]="test";
strcopy(desstr,srcstr);
return0;
}

//.c
intfcn(inta,intb,intc,intd,inte)
{
returna+b+c+d+e;
}

;.asm;
.text.global_start
_start:
STRlr,[sp,#-4]!;保存返回地址lr
ADDR1,R0,R0;计算2*i(第2个参数)
ADDR2,R1,R0;计算3*i(第3个参数)
ADDR3,R1,R2;计算5*i
STRR3,[SP,#-4]!;第5个参数通过堆栈传递
ADDR3,R1,R1;计算4*i(第4个参数)
BLfcn;调用C程序
ADDsp,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 ;

intf(inti){
returnfcn(i,2*i,3*i,4*i,5*i);
}

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

voidnotracecpu_init(void)
{
unsignedintcpu=smp_processor_id();－－－－获取CPUID
structstack*stk=stacks[cpu];－－－－获取该CPU对于的irqabt和und的stack指针
……
#ifdefCONFIG_THUMB2_KERNEL
#definePLC"r"－－－－Thumb-2下，msr指令不允许使用立即数，只能使用寄存器。
#else
#definePLC"I"
#endif__asm__(
"msrcpsr_c,%1\n\t"－－－－让CPU进入IRQmode
"addr14,%0,%2\n\t"－－－－r14寄存器保存stk->irq
"movsp,r14\n\t"－－－－设定IRQmode的stack为stk->irq
"msrcpsr_c,%3\n\t"
"addr14,%0,%4\n\t"
"movsp,r14\n\t"－－－－设定abtmode的stack为stk->abt
"msrcpsr_c,%5\n\t"
"addr14,%0,%6\n\t"
"movsp,r14\n\t"－－－－设定undmode的stack为stk->und
"msrcpsr_c,%7"－－－回到SVCmode
:－－－－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(structstack,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(structstack,abt[0])),
PLC(PSR_F_BIT|PSR_I_BIT|UND_MODE),
"I"(offsetof(structstack,und[0])),
PLC(PSR_F_BIT|PSR_I_BIT|SVC_MODE)
:"r14");－－－－上面是input操作数列表，r14是要clobberedregister列表
}