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ARM中C和匯編混合編程及示例

2015-09-28
關鍵詞: ARM 匯編混合編程

  參數的傳遞規則.
  根據參數個數是否固定,可以將子程序分為參數個數固定的子程序和參數個數可變的子程序.這兩種子程序的參數傳遞規則是不同的.
  1.參數個數可變的子程序參數傳遞規則
  對于參數個數可變的子程序,當參數不超過4個時,可以使用寄存器R0~R3來進行參數傳遞,當參數超過4個時,還可以使用數據棧來傳遞參數. 在參數傳遞時,將所有參數看做是存放在連續的內存單元中的字數據。然后,依次將各名字數據傳送到寄存器R0,R1,R2,R3; 如果參數多于4個,將剩余的字數據傳送到數據棧中,入棧的順序與參數順序相反,即最后一個字數據先入棧. 按照上面的規則,一個浮點數參數可以通過寄存器傳遞,也可以通過數據棧傳遞,也可能一半通過寄存器傳遞,另一半通過數據棧傳遞.
  2.參數個數固定的子程序參數傳遞規則
  對于參數個數固定的子程序,參數傳遞與參數個數可變的子程序參數傳遞規則不同,如果系統包含浮點運算的硬件部件,浮點參數將按照下面的規則傳遞: 各個浮點參數按順序處理;為每個浮點參數分配FP寄存器;分配的方法是,滿足該浮點參數需要的且編號最小的一組連續的FP寄存器.第一個整數參數通過寄存器R0~R3來傳遞,其他參數通過數據棧傳遞.
  子程序結果返回規則
  1.結果為一個32位的整數時,可以通過寄存器R0返回.
  2.結果為一個64位整數時,可以通過R0和R1返回,依此類推.
  3.結果為一個浮點數時,可以通過浮點運算部件的寄存器f0,d0或者s0來返回.
  4.結果為一個復合的浮點數時,可以通過寄存器f0-fN或者d0~dN來返回.
  5.對于位數更多的結果,需要通過調用內存來傳遞.
  本文通過幾個簡單的例子演示了嵌入式開發中常用的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行處理。
  在嵌入式系統開發中,目前使用的主要編程語言是C和匯編,C++已經有相應的編譯器,但是現在使用還是比較少的。在稍大規模的嵌入式軟件中,例如含有OS,大部分的代碼都是用C編寫的,主要是因為C語言的結構比較好,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,例如開機時硬件系統的初始化,包括CPU狀態的設定,中斷的使能,主頻的設定,以及RAM的控制參數及初始化,一些中斷處理方面也可能涉及匯編。另外一個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,達到優化的目的。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開發,熟練對應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調用。下面分四種情況來進行討論,暫不涉及C++。
  1. 在C語言中內嵌匯編
  在C中內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,主要有下面幾個方面:
  a. 不能直接向PC寄存器賦值,程序跳轉要使用B或者BL指令
  b. 在使用物理寄存器時,不要使用過于復雜的C表達式,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果,計算表達式值時可能將R0到R3、R12及R14用于子程序調用,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,而讓編譯器進行分配
  內嵌匯編使用的標記是 __asm或者asm關鍵字,用法如下:
  __asm
  {
  instruction [; instruction]
  …
  [instruction]
  }
  asm(“instruction [; instruction]”);
  下面通過一個例子來說明如何在C中內嵌匯編語言,
  #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的指針來實現的,因為指針對應的是地址,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
  內嵌匯編不用單獨編輯匯編語言文件,比較簡潔,但是有諸多限制,當匯編的代碼較多時一般放在單獨的匯編文件中。這時就需要在匯編和C之間進行一些數據的傳遞,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中調用匯編的函數
  在C中調用匯編文件中的函數,要做的主要工作有兩個,一是在C中聲明函數原型,并加extern關鍵字;二是在匯編中用EXPORT導出函數名,并用該函數名作為匯編代碼段的標識,最后用mov pc, lr返回。然后,就可以在C中使用該函數了。從C的角度,并不知道該函數的實現是用C還是匯編。更深的原因是因為C的函數名起到表明函數代碼起始地址的左右,這個和匯編的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和匯編之間的參數傳遞是通過ATPCS(ARM Thumb Procedure Call Standard)的規定來進行的。簡單的說就是如果函數有不多于四個參數,對應的用R0-R3來進行傳遞,多于4個時借助棧,函數的返回值通過R0來返回。
  4. 在匯編中調用C的函數
  在匯編中調用C的函數,需要在匯編中IMPORT 對應的C函數名,然后將C的代碼放在一個獨立的C文件中進行編譯,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;
  }
  在匯編中調用C的函數,參數的傳遞也是通過ATPCS來實現的。需要指出的是當函數的參數個數大于4時,要借助stack,具體見ATPCS規范。
  小結
  以上通過幾個簡單的例子演示了嵌入式開發中常用的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行處理。以上只是拋磚引玉,更詳細和復雜的使用方法要結合實際應用并參考相關的資料。
  說明
  以上代碼在ADS 1.2的工程中編譯,并在對應的AXD中軟件仿真通過。

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