嵌入式Linux下C及汇编混合编程.doc

2.6 嵌入式Linux下C和汇编的混合编程2.6.1 混合编程概述2.6.1.1 C和汇编的混合编程及类型C语言是被称为高级的低级语言，原因是在C语言中，有许多针对硬件的操作，能很好地利用硬件特性。从一方面来说，C语言也是高级语言，它能很方便地实现各种复杂的编程算法。在嵌入式系统编程中，C语言是首选的程序设计语言，但在某些特定条件下，C语言无法精确地操作硬件，此时往往采用嵌入或调用汇编程序的方法来解决此类问题。这就是混合编程。混合编程从方式上主要包括三类，即：C程序调用汇编程序；汇编程序调用C程序；C程序内嵌汇编。本文后续将分别介绍这三类编程方法。2.6.1.2 ATPCS规范简介基于ARM的嵌入式C和汇编的混合编程需要遵循一定的规范，这就是过程调用标准ATPCS规范。ATPCS规定了子程序间相互调用的基本规则，调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则及参数的传递规则。2007年，ARM公司推出了新的过程调用标准AAPCS（ARM Architecture Produce Call Standard）,它只是改进了原有的ATPCS的二进制代码的兼容性。 这里简单介绍寄存器的使用规则、数据栈的使用规则、参数的传递规则和子程序结果返回规则，更详细的内容请参考其它参考资料。1. 寄存器使用规则l 子程序间通过寄存器R0R3传递参数，寄存器R0R3可记作A1A4。被调用的子程序在返回前无须恢复寄存器R0R3的内容。l 在子程序中，ARM状态下使用寄存器R4R11来保存局部变量，寄存器R4R11可记作V1V8；Thumb状态下只能使用R4R7来保存局部变量。 l 寄存器R12用作子程序间调用时临时保存栈指针，函数返回时使用该寄存器进行出栈，记作IP；在子程序间的链接代码中常有这种使用规则。l 通用寄存器R13用作数据栈指针，记作SP。 l 通用寄存器R14用作链接寄存器。l 通用寄存器R15用作程序计数器，记作PC 。2. 数据栈使用规则l 过程调用标准规定数据栈为FD（Full descending 满递减堆栈）类型，并且对数据栈的操作时要求8字节对齐的。 3. 参数传递规则（1）参数个数可变的子程序参数传递规则l 对于参数个数可变的子程序，当参数个数不超过4个时，可以使用寄存器R0R3来传递；当参数个数超过4个时，还可以使用数据栈进行参数传递。（2）参数个数固定的子程序参数传递规则l 如果系统不包含浮点运算的硬件部件且没有浮点参数时，则依次将各参数传送到寄存器R0R3中，如果参数个数多于4个，将剩余的字数据通过数据栈来传递；l 如果包括浮点参数则要通过相应的规则将浮点参数转换为整数参数，然后依次将各参数传送到寄存器R0R3中。如果参数多于4个，将剩余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。 4. 子程序结果返回规则l 结果为一个32位的整数时，通过寄存器R0返回；结果为一个64位整数时，通过寄存器R0，R1返回。l 结果为一个浮点数时，可以通过浮点运算部件的寄存器F0、D0或者S0来返回；结果为复合型的浮点数（如复数）时，可以通过寄存器F0Fn或者0n来返回。l 对于位数更多的结果，需要通过内存来传递。2.6.1.3 ARM开发工具编译环境和GNU编译环境的差别ARM开发工具编译环境（如ads）和GNU编译环境下内嵌汇编的格式和伪操作是不同的。后文将不介绍ARM开发工具编译环境下的混合编程实现，但是，读者对于两者的伪操作上区别还是需要了解的，以便在需要的时候将ARM开发工具编译环境下的汇编移植到GNU编译环境下。表2.18给出了两者常用伪操作的对应关系。ARM伪操作符GNU伪操作符ARM伪操作符GNU伪操作符INCLUDE.includeRN.reqEXPORT.globalGBLA.globalIMPORT.externMACRO.marcoDCD.longEND.endIF:DEF:.ifdefAREA Word, CODE, READONLY .textELSE.elseAREA Block, DATA, READWRITE.dataENDIF.endifCODE32.arm:OR:|CODE16.thumb:SHLEntryEntry:另外，对于注释，在ARM开发工具编译环境中注释行以“；”开始。GNU环境注释行以“#”开始，行较多时将内容放在“/*”和“*/”之间。2.6.2 C调用汇编在C中调用汇编文件中的函数，要做的主要工作有两个，一是在C中声明函数原型，并加extern关键字；二是在汇编中用global 导出函数名，并用该函数名作为汇编代码段的标识，最后用mov pc, lr返回。然后，就可以在C 中使用该函数了。从C的角度，并不知道该函数的实现是用C还是汇编。更深的原因是因为C的函数名起到表明函数代码起始地址的作用，这个和汇编的label是一致的。以下给出一个调用的例子，程序包括两个文件：main.c和Asmfile_gnu.s。main.c用c实现，包含主函数，负责调用Asmfile_gnu.c的global asmDouble，并将调用前后的值输出；Asmfile_gnu.c用ARM汇编实现，包含被调用函数“global asmDouble”，实现整数的倍乘。main.c:#include 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;Asmfile_gnu.s:#called by main(in C),to double an integer, a global var defined in C is used. .text .global asmDouble.extern gVar_1 asmDouble:ldr r0, =gVar_1ldr r1, r0mov r2, #2 mul r3, r1, r2 str r3, r0mov pc, lr .end以上程序通过使用全局变量gVar_1实现汇编和C之间数据的传递，这是最简单的调用方式了。对以上程序加以修改，以实现汇编和C之间参数的传递，如下：main.c:#include extern int asmMulti(int,int); int main()int x=5;int y=6;int z;printf(nx=%d, y=%d,x,y);z=asmMulti(x,y);printf(n x*y=%dn, z);return 0;Asmfile_gnu.s: #called by main(in C),to double an integer, a global var defined in C is used. .text .global asmMulti asmMulti:mul r2, r0, r1mov r0, r2 mov pc, lr .endAsmfile_gnu.s实现两个整数相乘，并将乘积返回给调用。在主函数调用asmMulti(x,y)时，参数x传递给了r0；参数y传递给了r1。在汇编程序中，r0、r1的乘积赋给r2后再赋给r0，因为r0最终作为主函数调用的返回值。在这里，C 和汇编之间的参数传递是通过ATPCS的规定来进行的。简单的说就是如果函数有不多于四个参数，对应的用R0-R3来进行传递，多于4个时借助栈。函数的返回值通过R0来返回。2.6.3汇编调用C在汇编中调用C的函数，需要在汇编中使用extern声明对应的C函数名，然后将C的代码放在一个独立的C 文件中进行编译，剩下的工作由连接器来处理。cFile.c:int cFun(int a, int b, int c) return a + b + c;Asmfile_gnu.s: #the details of parameters transfer comes from ATPCS#if there are more than 4 args, stack will be used.text.extern cFunEntry:mov r0, #11mov r1, #22mov r2, #33BL cFun.end在汇编中调用C 的函数，参数的传递也是通过ATPCS来实现的。