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R0～R3传递参数，寄存器R0～R3可记作A1～A4。被调用的子程序在返回前无须恢复寄存器R0～R3的内容。
l 在子程序中，ARM状态下使用寄存器R4～R11来保存局部变量，寄存器R4～R11可记作V1～V8；Thumb状态下只能使用R4～R7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R0～R3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R0～R3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R0～R3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F0～Fn或者Ｄ0～Ｄn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
.include
RN
.req
EXPORT
.global
GBLA
.global
IMPORT
.extern
MACRO
.marco
DCD
.long
END
.end
IF:DEF:
.ifdef
AREA Word, CODE, READONLY
.text
ELSE
.else
AREA Block, DATA, READWRITE
.data
ENDIF
.endif
CODE32
.arm
:OR:
|
CODE16
.thumb
:SHL
<<
Entry
Entry:
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 <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;
}

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_1
ldr r1, [r0]
mov r2, #2
mul r3, r1, r2

str r3, [r0]
mov 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 <stdio.h>
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=%d\n", 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, r1
mov r0, r2
mov pc, lr

.end
Asmfile_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 cFun
Entry:
mov r0, #11
mov r1, #22
mov r2, #33
BL 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。