2.6 混合语言编程
目前，在嵌入式系统开发中，使用的主要编程语言是C语言和汇编语言。在稍大规模的嵌入式软件中，例如含有OS，大部分的代码都是用C编写的，主要是因为C语言的结构比较好，便于人的理解，而且有大量的支持库。尽管如此，很多地方还是要用到汇编语言，例如开机时硬件系统的初始化，包括CPU状态的设定、中断的使能、主频的设定、RAM的初始化等，一些中断处理也可能涉及汇编。另外，对性能非常敏感的代码，需要手工编写汇编语言程序。汇编语言是和CPU的指令集紧密相关的。作为涉及底层的嵌入式系统开发，必须熟练对汇编语言的使用。使用C语言和汇编语言进行混合编程，可以充分发挥各自的优势，取得显著效果。
在C中嵌入汇编的格式为：
asm("汇编语句" :输出寄存器 :输入寄存器 :会被修改的寄存器); |
其中：
汇编语句：是写汇编指令的地方；
输出寄存器：表示当这段嵌入汇编执行后，用于存放输出数据的寄存器。这些寄存器会分别对应一个C语言表达式或一个内存地址；
输入寄存器：表示在开始执行汇编指令时，指定一些寄存器中应存放输入值，它们也分别对应着一个C变量或常数值。
会被修改的寄存器：在gcc知道会被修改的寄存器后，能够对代码进行优化。
示例：
01 #define get_seg_byte(seg, addr) \ 02 ({ \ 03 register char __res; 04 __asm__("push %%fs; \ 05 mov %%ax, %%fs; \ 06 movb %%fs:%2, %%al; \ 07 pop %%fs" \ 08 :"=a"(__res) \ 09 :""(seg), "m"(*(addr))); \ 10 __res;}) |
这段10行的代码定义了一个嵌入汇编语言宏函数。用圆括号括住的组合语句（花括号中的语句）可以作为表达式使用，第10行变量__res是该表达式的输出值。
宏语句要在一行上定义，因此使用“\”将这些语句连成一行。
宏的名字是get_seg_byte(seg, addr)。
第3行定义寄存器变量__res。
第4行的__asm__表示嵌入汇编语句的开始。4-7行是AT&T格式的汇编语句。
第8行是输出寄存器，其含义是此段代码结束后将eax所代表的寄存器的值放入__res变量中，作为本函数的输出值，"=a"中的"a"称为加载代码，"="表示这是输出寄存器。
第9行表示此段代码开始运行时将seg放到eax寄存器中，""表示使用与上面同个位置的输出相同的寄存器。"m"表示使用一个内存偏移地址值。为了在上面的汇编语句中使用该地址值，嵌入汇编程序规定把输出和输入寄存器统一按顺序编号，从输出寄存器序列开始，从左到右，从上到下，以"%0"开始，分别记为%0、%1、…、%9。因此，输出寄存器的编号是%
0（这里只有一个输出寄存器），输入寄存器前一部分（""(seg)）的编号是%1，而后部的编号是%2。上面第6行上的%2即代表(*(addr))这个内存偏移量。
第4行代码的作用是将fs段寄存器的内容入栈；
第5行将eax中的段值赋给fs段寄存器；
第6行是把fs:(*(addr))所指定的字节放入al寄存器中。当执行完汇编语句后，输出寄存器eax的值将被放入__res，作为该宏函数的返回值。
这段程序中，seg代表一个指定的内存段值，而addr表示一个内存偏移地址量。该宏函数的功能是从指定段和偏移值的内存地址处取一个字节。
一些可能会用到的寄存器加载代码及其具体的含义见表2.19。
表2.19 寄存器加载代码及其具体的含义
代码 | 含义 | 代码 | 含义 | |
a | 使用寄存器eax | m | 使用内存地址 | |
b | 使用寄存器ebx | o | 汇编语言转c语言的软件使用内存地址并可以加偏移量 | |
c | 使用寄存器ecx | I | 使用常数0~31 | |
d | 使用寄存器edx | J | 使用常数0~63 | |
S | 使用esi | K | 使用常数0~255 | |
D | 使用edi | L | 使用常数0~65535 | |
q | 使用动态字节可寻址寄存器(eax、ebx、ecx或edx) | M | 使用常数0~3 | |
r | 使用任意动态分配的寄存器 | N | 使用1字节常数(0~255) | |
g | 使用通用有效的地址即可(eax、ebx、ecx、edx或内存变量) | O | 使用常数0~31 | |
A | 使用eax与edx联合(64位) | |||
下面主要介绍基于ARM的C语言与汇编语言的混合编程。
1．C语言与汇编语言混合编程应遵守的规则
ARM编程中使用的C语言是标准C语言。在使用C语言时，要用到和汇编语言的混合编程。若汇编代码较为简洁，则可使用直接内嵌汇编的方法；否则要将汇编程序以文件的形式加入到项目中，按照ATPCS（ARM/Thumb Procedure Call Standard，ARM/Thumb过程调用标准）的规定与C程序相互调用与访问。
在C和ARM汇编语言程序之间相互调用时，必须遵守ATPCS规则。ATPCS规定了一些子程序间调用的基本规则、寄存器的使用规则、堆栈的使用规则以及参数的传递规则等。
（1）寄存器的使用规则
子程序之间通过寄存器R0~R3来传递参数，当参数个数多于4个时，使用堆栈来传递参数。此时R0~R3可记作A1~A4。
在子程序中，使用寄存器R4~R11保存局部变量。因此当进行子程序调用时要注意对这些寄存器的保存和恢复。此时R4~R11可记作V1~V8。
寄存器R12用于保存堆栈指针SP，当子程序返回时使用该寄存器出栈，记作IP。
寄存器R13用作堆栈指针，记作SP。
寄存器R14称为链接寄存器，记作LR，该寄存器用于保存子程序的返回地址。
寄存器R15称为程序计数器，记作PC。
（2）堆栈的使用规则
ATPCS规定堆栈采用满递减类型（FD，Full Descending），且对堆栈的操作是8字节对齐。使用STMFD/LDMFD指令。
（3）参数的传递规则
整数参数的前4个使用R0~R3传递，其它参数使用堆栈传递；浮点参数使用编号最小且能够满足需要的一组连续的FP寄存器传递参数。
子程序的返回结果为一个32位整数时，通过R0返回；返回结果为一个64位整数时，通过R0和R1返回；依此类推。结果为浮点数时，通过浮点运算部件的寄存器F0、D0或者S0返回。
2．在汇编语言程序中调用C函数的方法
汇编语言程序的书写要遵循ATPCS规则，以保证程序调用时参数能够正确传递。在汇编语言程序中调用C函数的方法是：
首先，将C代码在一个独立的C源程序文件中译；
然后，在汇编程序中使用IMPORT伪指令声明将要调用的C语言函数；
接着，通过BL指令调用C函数。
示例：在一个C源文件中定义了如下求和函数
int add(int x,int y){ return(x+y); } |
调用add()函数的汇编语言程序结构如下：
IMPORT add ;声明要调用的C函数 …… MOV R0,1 MOV R1,2 BL add ;调用C函数add …… |
进行函数调用时，使用R0和R1实现参数的传递，返回结果由R0带回。函数调用结束后，R0的值为3。
示例：
;the details of parameters transfer comes from ATPCS //汇编语言程序文件 ;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 sum END /*C file, called by asmfile */ //C源文件 int sum(int a, int b, int c) { return a+b+c; } |
3．C语言程序调用汇编子程序（函数）的方法
C语言程序调用汇编子程序时，汇编子程序的书写也要遵循ATPCS规则，以保证程序调用时参数正确的传递。在C语言程序中调用汇编子程序的方法为：
首先，在汇编语言程序中使用EXPORT伪指令声明被调用的子程序，表示该子程序将在其它文件中被调用；
然后，在C语言程序中使用extern关键字，声明要调用的汇编子程序为外部函数；
接着，就可以在C语言程序中调用该子程序了。
注意：从C的角度来看，其并不知道该函数是用C还是汇编实现的。因为C的函数名用来表示函数代码的起始地址，这个和汇编中的label是一样的。
示例：在一个汇编语言源文件中定义了求和函数
EXPORT add ;声明add子程序将被外部函数调用 …… add ;求和子程序add ADD R0,R0,R1 MOV pc,lr …… |
在一个C语言程序的main()函数中，对add汇编子程序进行了调用。
extern int add (int x,int y); //声明add为外部函数 int main(){ int a=1,b=2,c; c=add(a,b); //调用add子程序 …… } |
当main()函数调用add汇编子程序时，变量a、b的值分别赋给R0和R1，返回结果由R0带回，并赋值给变量c。函数调用结束后，变量c的值为3。
示例：
/* cfile.c //C源文件 * in C,call an asm function, asm_strcpy * Sep 9, 2004 */ #include <stdio.h> extern void asm_strcpy(const char *src, char *dest); //声明asm_strcpy为外部函数 int main() { const char *s = "seasons in the sun"; char d[32]; asm_strcpy(s, d); //调用asm_strcpy子程序 printf("source: %s", s); printf(" destination: %s",d); return 0; } ;asm function implementation //汇编语言程序文件 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 |
4．C语言程序中内嵌汇编语句
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