嵌入式Linux下C和汇编的混合编程
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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
●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。
●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。
●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。
●通用寄存器R13用作数据栈指针,记作SP。
●通用寄存器R14用作链接寄存器。
●通用寄存器R15用作程序计数器,记作PC 。
2. 数据栈使用规则
●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
●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
●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;
●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
●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。
●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。
●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
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:
#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:
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。
在汇编中调用C 的函数,参数的传递也是通过ATPCS来实现的。