gcc内嵌汇编详解

gcc内嵌汇编详解
有时候我们希望在C/C++代码中使⽤嵌⼊式汇编，因为C中没有对应的函数或语法可⽤。

⽐如我最近在ARM上写FIR程序时，需要对最后的结果进⾏饱和处理，但gcc没有提供ssat这样的函数，于是不得不在C代码中嵌⼊汇编指令。

1. ⼊门
在C中嵌⼊汇编的最⼤问题是如何将C语⾔变量与指令操作数相关联。

当然，gcc都帮我们想好了。

下⾯是是⼀个简单例⼦。

asm(“fsinx %1, %0”:”=f”(result):”f”(angle));
这⾥我们不需要关注fsinx指令是⼲啥的；只需要知道这条指令需要两个浮点寄存器作为操作数。

作为专职处理C语⾔的gcc编译器，它是没办法知道fsinx这条汇编指令需要什么样的操作数的，这就要求程序猿告知gcc相关信息，⽅法就是指令后⾯的”=f”和”f”，表⽰这是两个浮点寄存器操作数。

这被称为操作数规则（constraint）。

规则前⾯加上”=”表⽰这是⼀个输出操作数，否则是输⼊操作数。

constraint后⾯括号内的是与该寄存器关联的变量。

这样gcc就知道如何将这条嵌⼊式汇编语句转成实际的汇编指令了：
fsinx：汇编指令名
%1, %0：汇编指令操作数
“=f”(result)：操作数%0是⼀个浮点寄存器，与变量result关联（对输出操作数，“关联”的意思就是说gcc执⾏完这条汇编指令后会把寄存器%0的内容送到变量result中）“f”(angle)：操作数%1是⼀个浮点寄存器，与变量angle关联（对输⼊操作数，“关联”的意思是就是说gcc执⾏这条汇编指令前会先将变量angle的值读取到寄存器%1中）
因此这条嵌⼊式汇编会转换为⾄少三条汇编指令（⾮优化）：
1> 将angle变量的值加载到寄存器%1
2> fsinx汇编指令，源寄存器%1，⽬标寄存器%0
3> 将寄存器%0的值存储到变量result
当然，在⾼优化级别下上⾯的叙述可能不适⽤；⽐如源操作数可能本来就已经在某个浮点寄存器中了。

这⾥我们也看到constraint前加”=”符号的意义：gcc需要知道这个操作数是在执⾏嵌⼊汇编前从变量加载到寄存器，还是在执⾏后从寄存器存储到变量中。

常⽤的constraints有以下⼏个（更多细节参见gcc⼿册）：
m 内存操作数
r 寄存器操作数
i ⽴即数操作数（整数）
f 浮点寄存器操作数
F ⽴即数操作数（浮点）
从这个栗⼦也可以看出嵌⼊式汇编的基本格式：
asm(“汇编指令”:”=输出操作数规则”(关联变量):”输⼊操作数规则”(关联变量));
输出操作数必须为左值；这个显然。

2. 多个操作数，或没有输出操作数
如果某个指令有多个输⼊或输出操作数怎么办？例如arm有很多指令是三操作数指令。

这个时候⽤逗号分隔多个规则：
asm(“add %0, %1, %2”:”=r”(sum):”r”(a), “r”(b));
每条操作数规则按顺序对应操作数%0, %1, %2。

对于没有输出操作数的情况，在汇编指令后就没有输出规则，于是就出现两个连续冒号，后跟输⼊规则。

3. 输⼊-输出（或读-写）操作数
有时候⼀个操作数既是输⼊⼜是输出，⽐如x86下的这条指令：
add %eax, %ebx
注意指令使⽤AT&T格式⽽不是Intel格式。

寄存器ebx同时作为输⼊操作数和输出操作数。

对这样的操作数，在规则前使⽤”+”字符：
asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b));
对应C语⾔语句a=a+b。

注意这样的操作数不能使⽤”=”符号，因为gcc看到”=”符号会认为这是⼀个单输出操作数，于是在将嵌⼊汇编转换为真正汇编的时候就不会预先将变量a的值加载到寄存器%0中。

另⼀个办法是将读-写操作数在逻辑上拆分为两个操作数：
asm(“add %2, %0” : “=r”(a) : “0”(a), “r”(b));
对“逻辑”输⼊操作数1指定数字规则”0”，表⽰这个逻辑操作数占⽤和操作数0⼀样的“位置”（占⽤同⼀个寄存器）。

这种⽅法的特点是可以将两个“逻辑”操作数关联到两个不同的C语⾔变量上：
asm("add %2, %0" : "=r"(c) : "0"(a), "r"(b));
对应于C程序语句c=a+b。

数字规则仅能⽤于输⼊操作数，且必须引⽤到输出操作数。

拿上例来说，数字规则”0”位于输⼊规则段，且引⽤到输出操作数0，该数字规则⾃⾝占⽤操作数计数1。

这⾥要注意，通过同名C语⾔变量是⽆法保证两个操作数占⽤同⼀“位置”的。

⽐如下⾯这样的写法是不⾏的:
（错误写法）asm(“add %2, %0”:”=r”(a):”r”(a), “r”(b));
4. 指定寄存器
有时候我们需要在指令中使⽤指定的寄存器；典型的栗⼦是系统调⽤，必须将系统调⽤码和参数放在指定寄存器中。

为了达到这个⽬的，我们要在声明变量时使⽤扩展语法：
register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1
register int b asm(“%ebx”) = 2; // statement 2
asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b)); // statement 3
注意只有在执⾏汇编指令时能确定a在eax中，b在ebx中，其他时候a和b的存放位置是不可知的。

另外，在这么⽤的时候要注意，防⽌statement 2在执⾏时覆盖了eax。

例如statement 2改成下⾯这句：
register int b asm(“%ebx”) = func();
函数调⽤约定会将func()的返回值放在eax⾥，于是破坏了statement 1对a的赋值。

这个时候可以先⽤⼀条语句将func返回值放在临时变量⾥：
int t = func();
register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1
register int b asm(“%ebx”) = t; // statement 2
asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b)); // statement 3
5. 隐式改变寄存器
有的汇编指令会隐含修改⼀些不在指令操作数中的寄存器，为了让gcc知道这个情况，将隐式改变寄存器规则列在输⼊规则之后。

下⾯是VAX机上的栗⼦：
asm volatile(“movc3 %0,%1,%2”
: /* no outputs */
:”g”(from),”g”(to),”g”(count)
:”r0”,”r1”,”r2”,”r3”,”r4”,”r5”);
（movc3是⼀条字符块移动（Move characters）指令）
这⾥要注意的是输⼊/输出规则中列出的寄存器不能和隐含改变规则中的寄存器有交叉。

⽐如在上⾯的栗⼦⾥，规则“g”中就不能包含r0-r5。

以指定寄存器语法声明的变量，所占⽤的寄存器也不能和隐含改变规则有交叉。

这个应该好理解：隐含改变规则是告诉gcc有额外的寄存器需要照顾，⾃然不能和输⼊/输出寄存器有交集。

另外，如果你在指令⾥显式指定某个寄存器，那么这个寄存器也必须列在隐式改变规则之中（有点绕了哈）。

上⾯我们说过gcc⾃⾝是不了解汇编指令的，所以你在指令中显式指定的寄存器，对gcc来说是隐式的，因此必须包含在隐式规则之中。

另外，指令中的显式寄存器前需要⼀个额外的%，⽐如%%eax。

6. volatile
asm volatile通知gcc你的汇编指令有side effect，千万不要给优化没了，⽐如上⾯的栗⼦。

如果你的指令只是做些计算，那么不需要volatile，让gcc可以优化它；除此以外，⽆脑给每个asm加上volatile或者是个好办法。