GCC 内嵌汇编 （上篇）
时间：2010-12-02 来源：CUKdd
1 简介
内核代码绝大部分使用 C 语言编写,只有一小部分使用汇编语言编写,例如与特定体系结构相关的代码和对性能影响很大的代码。GCC 提供了内嵌汇编的功能,可以在 C 代码中直接内嵌汇编语言语句,大大方便了程序设计。简单的内嵌汇编很容易理解,例:
__asm__ __volatile__("hlt");
“__asm__” 表示后面的代码为内嵌汇编,“asm”是“__asm__”的别名。
“__volatile__” 表示编译器不要优化代码,后面的指令保留原样,“volatile”是它的别名。括号里面是汇编指令。
2 内嵌汇编举例
在内嵌汇编中,可以将 C 语言表达式指定为汇编指令的操作数,而且不用去管如何将 C语言表达式的值读入哪个寄存器,以及如何将计算结果写回 C 变量,你只要告诉程序中 C语言表达式与汇编指令操作数之间的对应关系即可,GCC 会自动插入代码完成必要的操作。使用内嵌汇编,要先编写汇编指令模板,然后将 C 语言表达式与指令的操作数相关联,并告诉 GCC 对这些操作有哪些限制条件。例如在下面的汇编语句:
__asm__ __violate__ ("movl %1, %0" : "=r" (result) : "r" (input));
“movl %1,%0”是指令模板;
“%0”和“%1”代表指令的操作数,称为占位符,内嵌汇编靠它们将 C 语言表达式与指令操作数相对应。指令模板后面用小括号括起来的是 C 语言表达式,本例中只有两个:
“result”和“input”,他们按照出现的顺序分别与指令操作数“%0”,“%1”对应;注意对应顺序:第一个 C 表达式对应“%0”;第二个表达式对应“%1”,依次类推,操作数至多有 10 个,分别用“%0”“%1”....“%9”表示。在 每个操作数前面有一个用引号括起来的字符串,字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。
“result”前面的限制字符串是“=r”,其中“=”表示“result”是输出操作数,“r”表示需要将“result”与某个通用寄存器相关联,先将操作数的值读入寄存器,然后在指令中使用相应寄存器,而不是“result”本身,当然指令执行完后需要将寄存器中的值存入变量“result”,从表面上看好像是指令直接对“result”进行操作,实际上 GCC 做了隐式处理,这样我们可以少写一些指令。
“input”前面的“r”表示该表达式需要先放入某个寄存器,然后在指令中使用该寄存器参加运算。
我们将上面的内嵌代码放到一个 C 源文件中,然后使用 gcc –c–S 得到该 C 文件源代码相对应的汇编代码,然后查看一下汇编代码,看看 GCC 是如何处理的。C 源文件如下内容如下,注意该代码没有实际意义,仅仅作为例子。
extern int input, result; void test(void) { input = 1; __asm__ __volatile__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "r" (input)); return; }
对应的汇编代码如下:
movl $1, input movl input, %eax #APP movl %eax, %eax #NO_APP movl %eax, result
解释：
对应 C 语言语句 input = 1;
#APP：GCC 插入的注释,表示内嵌汇编开始我们的内嵌汇编语句。
#NO_APP：GCC 插入的注释,表示内嵌汇编结束
将结果存入 result 变量
从汇编代码可以看出,第 9 行和第 13 行是 GCC 自动增加的代码,GCC 根据限定字符串决定如何处理 C 表达式,本例两个表达式都被指定为“r”型,所以先使用指令:
movl input, %eax
将 input 读入寄存器%eax;
GCC 也指定一个寄存器与输出变量 result 相关,本例也是%eax,等得到操作结果后再使用指令:
movl %eax, result
将寄存器的值写回 C 变量 result 中。
从上面的汇编代码我们可以看出与 result 和 input,相关连的寄存器都是%eax,GCC 使用%eax 替换内嵌汇编指令模板中的%0,%1。显然 movl %eax,%eax 这一句可以不要。但是没有优化,所以这一句没有被去掉。由此可见,C 表达式或者变量与寄存器的关系由 GCC 自动处理,我们只需使用限制字符串指导 GCC 如何处理即可。限制字符必须与指令对操作数的要求相匹配,否则产生的汇编代码将会有错,读者可以将上例中的两个“r”,都改为“m”(m 表示操作数放在内存,而不是寄存器中),编译后得到的结果是:
movl input, result
很明显这是一条非法指令,因此限制字符串必须与指令对操作数的要求匹配。
例如指令 movl 允许寄存器到寄存器,立即数到寄存器等,但是不允许内存到内存的操作,因此两个操作数不能同时使用“m”作为限定字符。
3 语法
内嵌汇编语法如下:
__asm__( 汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)
共四个部分:汇编语句模板,输出部分,输入部分,破坏描述部分,各部分使用“:”格开,汇编语句模板必不可少,其他三部分可选,如果使用了后面的部分,而前面部分为空,也需要用“:”格开,相应部分内容为空。例如:
__asm__ __volatile__( "cli": : :"memory")
3.1 汇编语句模板
汇编语句模板由汇编语句序列组成,语句之间使用“;”“\n”或“\n\t”分开。指令中的操作数可以使用占位符引用 C 语言变量,操作数占位符最多 10 个,名称如下:
%0,%1...,%9
指令中使用占位符表示的操作数,总被视为 long 型(4 个字节),但对其施加的操作根据指令可以是字或者字节,当把操作数当作字或者字节使用时,默认为低字或者低字节。对字节操作可以显式的指明是低字节还是次字节。方法是在%和序号之间插入一个字母,“b”代表低字节,“h”代表高字节,例如:%h1。
3.2 输出部分
输出部分描述输出操作数,不同的操作数描述符之间用逗号格开,每个操作数描述符由限定字符串和 C 语言变量组成。每个输出操作数的限定字符串必须包含“=”表示它是一个输出操作数。例:
__asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示对该变量的限制条件,这样 GCC 就可以根据这些条件决定如何分配寄存器,如何产生必要的代码处理指令操作数与 C 表达式或 C 变量之间的联系。
3.3 输入部分
输入部分描述输入操作数,不同的操作数描述符之间使用逗号格开,每个操作数描述符由限定字符串和 C 语言表达式或者 C 语言变量组成。
例 1: __asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例 2 (bitops.h) : Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr) { __asm__( "btsl %1,%0": "=m"(ADDR): "Ir"(nr)); }
后例功能是将(*addr)的第 nr 位设为 1。第一个占位符%0 与 C 语言变量 ADDR 对应,第二个占位符%1 与 C 语言变量 nr 对应。因此上面的汇编语句代码与下面的伪代码等价:
btsl nr, ADDR;
该指令的两个操作数不能全是内存变量,因此将 nr 的限定字符串指定为“Ir”,将 nr,与立即数或者寄存器相关联,这样两个操作数中只有 ADDR 为内存变量。
3.4 限制字符
接下篇...
内核代码绝大部分使用 C 语言编写,只有一小部分使用汇编语言编写,例如与特定体系结构相关的代码和对性能影响很大的代码。GCC 提供了内嵌汇编的功能,可以在 C 代码中直接内嵌汇编语言语句,大大方便了程序设计。简单的内嵌汇编很容易理解,例:
__asm__ __volatile__("hlt");
“__asm__” 表示后面的代码为内嵌汇编,“asm”是“__asm__”的别名。
“__volatile__” 表示编译器不要优化代码,后面的指令保留原样,“volatile”是它的别名。括号里面是汇编指令。
2 内嵌汇编举例
在内嵌汇编中,可以将 C 语言表达式指定为汇编指令的操作数,而且不用去管如何将 C语言表达式的值读入哪个寄存器,以及如何将计算结果写回 C 变量,你只要告诉程序中 C语言表达式与汇编指令操作数之间的对应关系即可,GCC 会自动插入代码完成必要的操作。使用内嵌汇编,要先编写汇编指令模板,然后将 C 语言表达式与指令的操作数相关联,并告诉 GCC 对这些操作有哪些限制条件。例如在下面的汇编语句:
__asm__ __violate__ ("movl %1, %0" : "=r" (result) : "r" (input));
“movl %1,%0”是指令模板;
“%0”和“%1”代表指令的操作数,称为占位符,内嵌汇编靠它们将 C 语言表达式与指令操作数相对应。指令模板后面用小括号括起来的是 C 语言表达式,本例中只有两个:
“result”和“input”,他们按照出现的顺序分别与指令操作数“%0”,“%1”对应;注意对应顺序:第一个 C 表达式对应“%0”;第二个表达式对应“%1”,依次类推,操作数至多有 10 个,分别用“%0”“%1”....“%9”表示。在 每个操作数前面有一个用引号括起来的字符串,字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。
“result”前面的限制字符串是“=r”,其中“=”表示“result”是输出操作数,“r”表示需要将“result”与某个通用寄存器相关联,先将操作数的值读入寄存器,然后在指令中使用相应寄存器,而不是“result”本身,当然指令执行完后需要将寄存器中的值存入变量“result”,从表面上看好像是指令直接对“result”进行操作,实际上 GCC 做了隐式处理,这样我们可以少写一些指令。
“input”前面的“r”表示该表达式需要先放入某个寄存器,然后在指令中使用该寄存器参加运算。
我们将上面的内嵌代码放到一个 C 源文件中,然后使用 gcc –c–S 得到该 C 文件源代码相对应的汇编代码,然后查看一下汇编代码,看看 GCC 是如何处理的。C 源文件如下内容如下,注意该代码没有实际意义,仅仅作为例子。
extern int input, result; void test(void) { input = 1; __asm__ __volatile__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "r" (input)); return; }
对应的汇编代码如下:
movl $1, input movl input, %eax #APP movl %eax, %eax #NO_APP movl %eax, result
解释：
对应 C 语言语句 input = 1;
#APP：GCC 插入的注释,表示内嵌汇编开始我们的内嵌汇编语句。
#NO_APP：GCC 插入的注释,表示内嵌汇编结束
将结果存入 result 变量
从汇编代码可以看出,第 9 行和第 13 行是 GCC 自动增加的代码,GCC 根据限定字符串决定如何处理 C 表达式,本例两个表达式都被指定为“r”型,所以先使用指令:
movl input, %eax
将 input 读入寄存器%eax;
GCC 也指定一个寄存器与输出变量 result 相关,本例也是%eax,等得到操作结果后再使用指令:
movl %eax, result
将寄存器的值写回 C 变量 result 中。
从上面的汇编代码我们可以看出与 result 和 input,相关连的寄存器都是%eax,GCC 使用%eax 替换内嵌汇编指令模板中的%0,%1。显然 movl %eax,%eax 这一句可以不要。但是没有优化,所以这一句没有被去掉。由此可见,C 表达式或者变量与寄存器的关系由 GCC 自动处理,我们只需使用限制字符串指导 GCC 如何处理即可。限制字符必须与指令对操作数的要求相匹配,否则产生的汇编代码将会有错,读者可以将上例中的两个“r”,都改为“m”(m 表示操作数放在内存,而不是寄存器中),编译后得到的结果是:
movl input, result
很明显这是一条非法指令,因此限制字符串必须与指令对操作数的要求匹配。
例如指令 movl 允许寄存器到寄存器,立即数到寄存器等,但是不允许内存到内存的操作,因此两个操作数不能同时使用“m”作为限定字符。
3 语法
内嵌汇编语法如下:
__asm__( 汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)
共四个部分:汇编语句模板,输出部分,输入部分,破坏描述部分,各部分使用“:”格开,汇编语句模板必不可少,其他三部分可选,如果使用了后面的部分,而前面部分为空,也需要用“:”格开,相应部分内容为空。例如:
__asm__ __volatile__( "cli": : :"memory")
3.1 汇编语句模板
汇编语句模板由汇编语句序列组成,语句之间使用“;”“\n”或“\n\t”分开。指令中的操作数可以使用占位符引用 C 语言变量,操作数占位符最多 10 个,名称如下:
%0,%1...,%9
指令中使用占位符表示的操作数,总被视为 long 型(4 个字节),但对其施加的操作根据指令可以是字或者字节,当把操作数当作字或者字节使用时,默认为低字或者低字节。对字节操作可以显式的指明是低字节还是次字节。方法是在%和序号之间插入一个字母,“b”代表低字节,“h”代表高字节,例如:%h1。
3.2 输出部分
输出部分描述输出操作数,不同的操作数描述符之间用逗号格开,每个操作数描述符由限定字符串和 C 语言变量组成。每个输出操作数的限定字符串必须包含“=”表示它是一个输出操作数。例:
__asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示对该变量的限制条件,这样 GCC 就可以根据这些条件决定如何分配寄存器,如何产生必要的代码处理指令操作数与 C 表达式或 C 变量之间的联系。
3.3 输入部分
输入部分描述输入操作数,不同的操作数描述符之间使用逗号格开,每个操作数描述符由限定字符串和 C 语言表达式或者 C 语言变量组成。
例 1: __asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例 2 (bitops.h) : Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr) { __asm__( "btsl %1,%0": "=m"(ADDR): "Ir"(nr)); }
后例功能是将(*addr)的第 nr 位设为 1。第一个占位符%0 与 C 语言变量 ADDR 对应,第二个占位符%1 与 C 语言变量 nr 对应。因此上面的汇编语句代码与下面的伪代码等价:
btsl nr, ADDR;
该指令的两个操作数不能全是内存变量,因此将 nr 的限定字符串指定为“Ir”,将 nr,与立即数或者寄存器相关联,这样两个操作数中只有 ADDR 为内存变量。
3.4 限制字符
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