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《从0学arm合集》
一、gcc 内联汇编
内联汇编即在C中直接使用汇编语句进行编程，使程序可以在C程序中实现C语言不能完成的一些工作，例如，在下面几种情况中必须使用内联汇编或嵌入型汇编。
- 程序中使用饱和算术运算(Saturating Arithmetic)
- 程序需要对协处理器进行操作
- 在C程序中完成对程序状态寄存器的操作
格式：
__asm__ __volatile__("asm code"
:output
:input
:changed registers);
asm或__asm__开头，小括号+分号，括号内容写汇编指令。指令+\n\t 用双引号引上。
参数
「asm code」主要填写汇编代码：
"mov r0, r0\n\t"
"mov r1,r1\n\t"
"mov r2,r2"
「output(asm->C)」用于定义输出的参数，通常只能是变量：
:"constraint" (variable)
"constraint"用于定义variable的存放位置：
r 表示使用任何可用的寄存器
m 表示使用变量的内存地址
+ 可读可写
= 只写
& 表示该输出操作数不能使用输入部分使用过的寄存器，只能用"+&"或"=&"的方式使用
「input(C->asm)」用于定义输入的参数，可以是变量也可以是立即数：
:"constraint" (variable/immediate)
"constraint"用于定义variable的存放位置：
r 表示使用任何可用的寄存器(立即数和变量都可以)
m 表示使用变量的内存地址
i 表示使用立即数
Note:
- 使用__asm__和__volatile__表示编译器将不检查后面的内容，而是直接交给汇编器。
- 如果希望编译器为你优化，__volatile__可以不加
- 没有asm code也不能省略""
- 没有前面的和中间的部分，不可以相应的省略:
- 没有changed 部分，必须相应的省略:
- 最后的;不能省略，对于C语言来说这是一条语句
- 汇编代码必须放在一个字符串内，且字符串中间不能直接按回车换行，可以写成多个字符串，注意中间不能有任何符号，这样就会将两个字符串合并为一个
- 指令之间必须要换行，还可以使用\t使指令在汇编中保持整齐
举例
例1：无参数，无返回值 这种情况，output和input可以省略：
asm
( //汇编指令
"mrs r0,cpsr \n\t"
"bic r0,r0,#0x80 \n\t"
"msr cpsr,r0 \n\t"
);
例2：有参数 ，有返回值 让内联汇编做加法运算，求a+b，结果存在c中
int a =100， b =200， c =0;
asm
(
"add %0,%1,%2\n\t"
: "=r"(c)
: "r"(a),"r"(b)
: "memory"
);
%0 对应变量c %1 对应变量a %2 对应变量b
例3：有参数 2 ，有返回值
让内联汇编做加法运算，求a+b，结果存在sum中，把a-b的存在d中
asm volatile("add %[op1],%[op2],%[op3]\n\t""sub %[op4],%[op2],%[op3]\n\t"
:[op1]"=r"(sum),[op4]"=r"(d)
:[op2]"r"(a),[op3]"r"(b)
:"memory"
);
%0 对应变量c %1 对应变量a %2 对应变量b
三、ATPCS规则：(ARM、thumber程序调用规范)
为了使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用,必须为子程序之间的调用规定一定的规则.ATPCS就是ARM程序和THUMB程序中子程序调用的基本规则。
基本ATPCS规定了在子程序调用时的一些基本规则，包括下面3方面的内容：
- 各寄存器的使用规则及其相应的名称。
- 数据栈的使用规则。
- 参数传递的规则。
1. 寄存器的使用必须满足下面的规则：
1)子程序间通过寄存器R0一R3来传递参数，这时，寄存器R0～R3可以记作A1-A4。被调用的子程序在返回前无需恢复寄存器R0～R3的内容。
2)在子程序中，使用寄存器R4～R11来保存局部变量．这时，寄存器 R4 ～ R11可以记作V1 ～ V8。如果在子程序中使用到了寄存器V1～V8中的某些寄存器，子程序进入时必须保存这些寄存器的值，在返回前必须恢复这些寄存器的值；对于子程序中没有用到的寄存器则不必进行这些操作。在Thumb程序中，通常只能使用寄存器R4～R7来保存局部变量。
3)寄存器R12用作过程调用时的临时寄存器(用于保存SP，在函数返回时使用该寄存器出栈)， 记作ip。在子程序间的连接代码段中常有这种使用规则。
4)寄存器R13用作数据栈指针，记作sp。在子程序中寄存器R13不能用作其他用途。寄存器sp在进入子程序时的值和退出子程序时的值必须相等。
5)寄存器R14称为连接寄存器，记作lr。它用于保存子程序的返回地址。如果在子程序中保存了返回地址，寄存器R14则可以用作其他用途。
6)寄存器R15是程序计数器，记作pc。它不能用作其他用途。
ATPCS下ARM寄存器的命名：
| 寄存器 | 别名 | 功能 |
|---|---|---|
| R0 | a1 | 工作寄存器 |
| R1 | a2 | 工作寄存器 |
| R2 | a3 | 工作寄存器 |
| R3 | a4 | 工作寄存器 |
| R4 | v1 | 必须保护;局部变量寄存器 |
| R5 | v2 | 必须保护;局部变量寄存器 |
| R6 | v3 | 必须保护;局部变量寄存器 |
| R7 | v4 | 必须保护;局部变量寄存器 |
| R8 | v5 | 必须保护;局部变量寄存器 |
| R9 | v6 | 必须保护;局部变量寄存器 |
| R10 | sl | 栈限制 |
| R11 | fp | 帧指针 |
| R12 | ip | 指令指针 |
| R13 | sp | 栈指针 |
| R14 | lr | 连接寄存器 |
2、堆栈使用规则：
ATPCS规定堆栈为FD类型，即满递减堆栈。并且堆栈的操作是8字节对齐。
而对于汇编程序来说,如果目标文件中包含了外部调用,则必须满足以下条件:
外部接口的数据栈一定是8位对齐的，也就是要保证在进入该汇编代码后,直到该汇编程序调用外部代码之间,数据栈的栈指针变化为偶数个字;
在汇编程序中使用PRESERVE8伪操作告诉连接器,本汇编程序是8字节对齐的.
3、参数的传递规则：
根据参数个数是否固定,可以将子程序分为参数个数固定的子程序和参数个数可变的子程序.这两种子程序的参数传递规则是不同的.
1.参数个数可变的子程序参数传递规则
对于参数个数可变的子程序,当参数不超过4个时,可以使用寄存器R0~R3来进行参数传递,当参数超过4个时,还可以使用数据栈来传递参数.
在参数传递时,将所有参数看做是存放在连续的内存单元中的字数据。然后,依次将各名字数据传送到寄存器R0,R1,R2,R3; 如果参数多于4个,将剩余的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.
按照上面的规则,一个浮点数参数可以通过寄存器传递,也可以通过数据栈传递,也可能一半通过寄存器传递，另一半通过数据栈传递。
举例：
void func(a,b,c,d,e)
a -- r0
b -- r1
c -- r2
d -- r3
e -- 栈2.参数个数固定的子程序参数传递规则
对于参数个数固定的子程序,参数传递与参数个数可变的子程序参数传递规则不同,如果系统包含浮点运算的硬件部件。
浮点参数将按照下面的规则传递: (1)各个浮点参数按顺序处理; (2)为每个浮点参数分配FP寄存器;
分配的方法是,满足该浮点参数需要的且编号最小的一组连续的FP寄存器.第一个整数参数通过寄存器R0~R3来传递,其他参数通过数据栈传递.
3、子程序结果返回规则
- 1.结果为一个32位的整数时,可以通过寄存器R0返回.
- 2.结果为一个64位整数时,可以通过R0和R1返回，依此类推.
- 3.对于位数更多的结果,需要通过调用内存来传递.
举例：
使用r0 接收返回值
int func1(int m, int n)
m -- r0
n -- r1
返回值给 r0「为什么有的编程规范要求自定义函数的参数不要超过4个？」答：因为参数超过4个就需要压栈退栈，而压栈退栈需要增加很多指令周期。对于参数比较多的情况，我们可以把数据封装到结构体中，然后传递结构体变量的地址。
四、C语言和汇编相互调用
C和汇编相互调用要特别注意遵守相应的ATPCS规则。
1. C调用汇编
例1：c调用汇编文件中函数带返回值 简化代码如下，代码架构可以参考《7. 从0开始学ARM-GNU伪指令、代码编译，lds使用》。
;.asm
add:
add r2,r0,r1
mov r0,r2
MOV pc, lr
main.c
extern int add(int a,int b);
printf("%d \n",add(2,3));
- a->r0,b->r1
- 返回值通过r0返回计算结果给c代码
例2，用汇编实现一个strcopy函数
;.asm
.global strcopy
strcopy: ;R0指向目的字符串 ;R1指向源字符串
LDRB R2, [R1], #1 ;加载字字符并更新源字符串指针地址
STRB R2, [R0], #1 ;存储字符并更新目的字符串指针地址
CMP R2, #0 ;判断是否为字符串结尾
BNE strcopy ;如果不是，程序跳转到strcopy继续循环
MOV pc, lr ;程序返回
//.c
#include
extern void strcopy(char* des, const char* src);
int main(){
const char* srcstr = "yikoulinux";
char desstr[]="test";
strcopy(desstr, srcstr);
return 0;
}
2. 汇编调用C
//.c
int fcn(int a, int b , int c, int d, int e){
return a+b+c+d+e;
}
;.asm ;
.text .global _start
_start:
STR lr, [sp, #-4]! ;保存返回地址lr
ADD R1, R0, R0 ;计算2*i(第2个参数)
ADD R2, R1, R0 ;计算3*i(第3个参数)
ADD R3, R1, R2 ;计算5*i
STR R3, [SP, #-4]! ;第5个参数通过堆栈传递
ADD R3, R1, R1 ;计算4*i(第4个参数)
BL fcn ;调用C程序
ADD sp, sp, #4 ;从堆栈中删除第五个参数
.end
假设程序进入f时，R0中的值为i ;
int f(int i){
return fcn(i, 2*i, 3*i, 4*i, 5*i);
}
五、内核实例
为了让读者有个更加深刻的理解， 以内核中的例子为例：
arch/arm/kernel/setup.c
void notrace cpu_init(void) {
unsigned int cpu = smp_processor_id();－－－－获取CPU ID
struct stack *stk = &stacks[cpu];－－－－获取该CPU对于的irq abt和und的stack指针
……
#ifdef CONFIG_THUMB2_KERNEL
#define PLC "r"－－－－Thumb-2下，msr指令不允许使用立即数，只能使用寄存器。
#else
#define PLC "I"
#endif __asm__ (
"msr cpsr_c, %1\n\t"－－－－让CPU进入IRQ mode
"add r14, %0, %2\n\t"－－－－r14寄存器保存stk->irq
"mov sp, r14\n\t"－－－－设定IRQ mode的stack为stk->irq
"msr cpsr_c, %3\n\t"
"add r14, %0, %4\n\t"
"mov sp, r14\n\t"－－－－设定abt mode的stack为stk->abt
"msr cpsr_c, %5\n\t"
"add r14, %0, %6\n\t"
"mov sp, r14\n\t"－－－－设定und mode的stack为stk->und
"msr cpsr_c, %7"－－－回到SVC mode
:－－－－上面是code，下面的output部分是空的
: "r" (stk),－－－－对应上面代码中的%0
PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | IRQ_MODE),－－－－对应上面代码中的%1
"I" (offsetof(struct stack, irq[0])),－－－－对应上面代码中的%2
PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | ABT_MODE),－－－－以此类推，下面不赘述
"I" (offsetof(struct stack, abt[0])),
PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | UND_MODE),
"I" (offsetof(struct stack, und[0])),
PLC (PSR_F_BIT | PSR_I_BIT | SVC_MODE)
: "r14");－－－－上面是input操作数列表，r14是要clobbered register列表
}
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