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ARM中C和匯編混合編程及示例

2015-09-28
關(guān)鍵詞: ARM 匯編混合編程

  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.
  2.參數(shù)個(gè)數(shù)固定的子程序參數(shù)傳遞規(guī)則
  對于參數(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: 各個(gè)浮點(diǎn)參數(shù)按順序處理;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.
  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.結(jié)果為一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)時(shí),可以通過浮點(diǎn)運(yùn)算部件的寄存器f0,d0或者s0來返回.
  4.結(jié)果為一個(gè)復(fù)合的浮點(diǎn)數(shù)時(shí),可以通過寄存器f0-fN或者d0~dN來返回.
  5.對于位數(shù)更多的結(jié)果,需要通過調(diào)用內(nèi)存來傳遞.
  本文通過幾個(gè)簡單的例子演示了嵌入式開發(fā)中常用的C和匯編混合編程的一些方法和基本的思路,其實(shí)最核心的問題就是如何在C和匯編之間傳值,剩下的問題就是各自用自己的方式來進(jìn)行處理。
  在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中,目前使用的主要編程語言是C和匯編,C++已經(jīng)有相應(yīng)的編譯器,但是現(xiàn)在使用還是比較少的。在稍大規(guī)模的嵌入式軟件中,例如含有OS,大部分的代碼都是用C編寫的,主要是因?yàn)镃語言的結(jié)構(gòu)比較好,便于人的理解,而且有大量的支持庫。盡管如此,很多地方還是要用到匯編語言,例如開機(jī)時(shí)硬件系統(tǒng)的初始化,包括CPU狀態(tài)的設(shè)定,中斷的使能,主頻的設(shè)定,以及RAM的控制參數(shù)及初始化,一些中斷處理方面也可能涉及匯編。另外一個(gè)使用匯編的地方就是一些對性能非常敏感的代碼塊,這是不能依靠C編譯器的生成代碼,而要手工編寫匯編,達(dá)到優(yōu)化的目的。而且,匯編語言是和CPU的指令集緊密相連的,作為涉及底層的嵌入式系統(tǒng)開發(fā),熟練對應(yīng)匯編語言的使用也是必須的。
  單純的C或者匯編編程請參考相關(guān)的書籍或者手冊,這里主要討論C和匯編的混合編程,包括相互之間的函數(shù)調(diào)用。下面分四種情況來進(jìn)行討論,暫不涉及C++。
  1. 在C語言中內(nèi)嵌匯編
  在C中內(nèi)嵌的匯編指令包含大部分的ARM和Thumb指令,不過其使用與匯編文件中的指令有些不同,存在一些限制,主要有下面幾個(gè)方面:
  a. 不能直接向PC寄存器賦值,程序跳轉(zhuǎn)要使用B或者BL指令
  b. 在使用物理寄存器時(shí),不要使用過于復(fù)雜的C表達(dá)式,避免物理寄存器沖突
  c. R12和R13可能被編譯器用來存放中間編譯結(jié)果,計(jì)算表達(dá)式值時(shí)可能將R0到R3、R12及R14用于子程序調(diào)用,因此要避免直接使用這些物理寄存器
  d. 一般不要直接指定物理寄存器,而讓編譯器進(jìn)行分配
  內(nèi)嵌匯編使用的標(biāo)記是 __asm或者asm關(guān)鍵字,用法如下:
  __asm
  {
  instruction [; instruction]
  …
  [instruction]
  }
  asm(“instruction [; instruction]”);
  下面通過一個(gè)例子來說明如何在C中內(nèi)嵌匯編語言,
  #include <stdio.h>
  void my_strcpy(const char *src, char *dest)
  {
  char ch;
  __asm
  {
  loop:
  ldrb ch, [src], #1
  strb ch, [dest], #1
  cmp ch, #0
  bne loop
  }
  }
  int main()
  {
  char *a = "forget it and move on!";
  char b[64];
  my_strcpy(a, b);
  printf("original: %s", a);
  printf("copyed: %s", b);
  return 0;
  }
  在這里C和匯編之間的值傳遞是用C的指針來實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)橹羔槍?yīng)的是地址,所以匯編中也可以訪問。
  2. 在匯編中使用C定義的全局變量
  內(nèi)嵌匯編不用單獨(dú)編輯匯編語言文件,比較簡潔,但是有諸多限制,當(dāng)匯編的代碼較多時(shí)一般放在單獨(dú)的匯編文件中。這時(shí)就需要在匯編和C之間進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的傳遞,最簡便的辦法就是使用全局變量。
  /* cfile.c
  * 定義全局變量,并作為主調(diào)程序
  */
  #include <stdio.h>
  int gVar_1 = 12;
  extern asmDouble(void);
  int main()
  {
  printf("original value of gVar_1 is: %d", gVar_1);
  asmDouble();
  printf(" modified value of gVar_1 is: %d", gVar_1);
  return 0;
  }
  對應(yīng)的匯編語言文件
  ;called by main(in C),to double an integer, a global var defined in C is used.
  AREA asmfile, CODE, READONLY
  EXPORT asmDouble
  IMPORT gVar_1
  asmDouble
  ldr r0, =gVar_1
  ldr r1, [r0]
  mov r2, #2
  mul r3, r1, r2
  str r3, [r0]
  mov pc, lr
  END
  3. 在C中調(diào)用匯編的函數(shù)
  在C中調(diào)用匯編文件中的函數(shù),要做的主要工作有兩個(gè),一是在C中聲明函數(shù)原型,并加extern關(guān)鍵字;二是在匯編中用EXPORT導(dǎo)出函數(shù)名,并用該函數(shù)名作為匯編代碼段的標(biāo)識,最后用mov pc, lr返回。然后,就可以在C中使用該函數(shù)了。從C的角度,并不知道該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是用C還是匯編。更深的原因是因?yàn)镃的函數(shù)名起到表明函數(shù)代碼起始地址的左右,這個(gè)和匯編的label是一致的。
  /* cfile.c
  * in C,call an asm function, asm_strcpy
  * Sep 9, 2004
  */
  #include <stdio.h>
  extern void asm_strcpy(const char *src, char *dest);
  int main()
  {
  const char *s = "seasons in the sun";
  char d[32];
  asm_strcpy(s, d);
  printf("source: %s", s);
  printf(" destination: %s",d);
  return 0;
  }
  ;asm function implementation
  AREA asmfile, CODE, READONLY
  EXPORT asm_strcpy
  asm_strcpy
  loop
  ldrb r4, [r0], #1 ;address increment after read
  cmp r4, #0
  beq over
  strb r4, [r1], #1
  b loop
  over
  mov pc, lr
  END
  在這里,C和匯編之間的參數(shù)傳遞是通過ATPCS(ARM Thumb Procedure Call Standard)的規(guī)定來進(jìn)行的。簡單的說就是如果函數(shù)有不多于四個(gè)參數(shù),對應(yīng)的用R0-R3來進(jìn)行傳遞,多于4個(gè)時(shí)借助棧,函數(shù)的返回值通過R0來返回。
  4. 在匯編中調(diào)用C的函數(shù)
  在匯編中調(diào)用C的函數(shù),需要在匯編中IMPORT 對應(yīng)的C函數(shù)名,然后將C的代碼放在一個(gè)獨(dú)立的C文件中進(jìn)行編譯,剩下的工作由連接器來處理。
  ;the details of parameters transfer comes from ATPCS
  ;if there are more than 4 args, stack will be used
  EXPORT asmfile
  AREA asmfile, CODE, READONLY
  IMPORT cFun
  ENTRY
  mov r0, #11
  mov r1, #22
  mov r2, #33
  BL cFun
  END
  /*C file, called by asmfile */
  int cFun(int a, int b, int c)
  {
  return a + b + c;
  }
  在匯編中調(diào)用C的函數(shù),參數(shù)的傳遞也是通過ATPCS來實(shí)現(xiàn)的。需要指出的是當(dāng)函數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)大于4時(shí),要借助stack,具體見ATPCS規(guī)范。
  小結(jié)
  以上通過幾個(gè)簡單的例子演示了嵌入式開發(fā)中常用的C和匯編混合編程的一些方法和基本的思路,其實(shí)最核心的問題就是如何在C和匯編之間傳值,剩下的問題就是各自用自己的方式來進(jìn)行處理。以上只是拋磚引玉,更詳細(xì)和復(fù)雜的使用方法要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用并參考相關(guān)的資料。
  說明
  以上代碼在ADS 1.2的工程中編譯,并在對應(yīng)的AXD中軟件仿真通過。

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