基于gcc將C語(yǔ)言變量與指令操作數(shù)相關(guān)聯(lián)

有時(shí)候我們希望在C/C++代碼中使用嵌入式匯編，因?yàn)镃中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的函數(shù)或語(yǔ)法可用。比如我最近在ARM上寫FIR程序時(shí)，需要對(duì)最后的結(jié)果進(jìn)行飽和處理，但gcc沒(méi)有提供ssat這樣的函數(shù)，于是不得不在C代碼中嵌入?yún)R編指令。

1. 入門

在C中嵌入?yún)R編的最大問(wèn)題是如何將C語(yǔ)言變量與指令操作數(shù)相關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，gcc都幫我們想好了。下面是是一個(gè)簡(jiǎn)單例子。

asm(“fsinx %1, %0”:”=f”(result):”f”(angle));

這里我們不需要關(guān)注fsinx指令是干啥的；只需要知道這條指令需要兩個(gè)浮點(diǎn)寄存器作為操作數(shù)。作為專職處理C語(yǔ)言的gcc編譯器，它是沒(méi)辦法知道fsinx這條匯編指令需要什么樣的操作數(shù)的，這就要求程序猿告知gcc相關(guān)信息，方法就是指令后面的”=f”和”f”，表示這是兩個(gè)浮點(diǎn)寄存器操作數(shù)。這被稱為操作數(shù)規(guī)則（constraint）。規(guī)則前面加上”=”表示這是一個(gè)輸出操作數(shù)，否則是輸入操作數(shù)。constraint后面括號(hào)內(nèi)的是與該寄存器關(guān)聯(lián)的變量。這樣gcc就知道如何將這條嵌入式匯編語(yǔ)句轉(zhuǎn)成實(shí)際的匯編指令了：

fsinx：匯編指令名

%1, %0：匯編指令操作數(shù)

“=f”(result)：操作數(shù)%0是一個(gè)浮點(diǎn)寄存器，與變量result關(guān)聯(lián)（對(duì)輸出操作數(shù)，“關(guān)聯(lián)”的意思就是說(shuō)gcc執(zhí)行完這條匯編指令后會(huì)把寄存器%0的內(nèi)容送到變量result中）

“f”(angle)：操作數(shù)%1是一個(gè)浮點(diǎn)寄存器，與變量angle關(guān)聯(lián)（對(duì)輸入操作數(shù)，“關(guān)聯(lián)”的意思是就是說(shuō)gcc執(zhí)行這條匯編指令前會(huì)先將變量angle的值讀取到寄存器%1中）

因此這條嵌入式匯編會(huì)轉(zhuǎn)換為至少三條匯編指令（非優(yōu)化）：

將angle變量的值加載到寄存器%1

fsinx匯編指令，源寄存器%1，目標(biāo)寄存器%0

將寄存器%0的值存儲(chǔ)到變量result

當(dāng)然，在高優(yōu)化級(jí)別下上面的敘述可能不適用；比如源操作數(shù)可能本來(lái)就已經(jīng)在某個(gè)浮點(diǎn)寄存器中了。

這里我們也看到constraint前加”=”符號(hào)的意義：gcc需要知道這個(gè)操作數(shù)是在執(zhí)行嵌入?yún)R編前從變量加載到寄存器，還是在執(zhí)行后從寄存器存儲(chǔ)到變量中。

常用的constraints有以下幾個(gè)（更多細(xì)節(jié)參見(jiàn)gcc手冊(cè)）：

m 內(nèi)存操作數(shù)

r 寄存器操作數(shù)

i 立即數(shù)操作數(shù)（整數(shù)）

f 浮點(diǎn)寄存器操作數(shù)

F 立即數(shù)操作數(shù)（浮點(diǎn)）

從這個(gè)栗子也可以看出嵌入式匯編的基本格式：

asm(“匯編指令”:”=輸出操作數(shù)規(guī)則”(關(guān)聯(lián)變量):”輸入操作數(shù)規(guī)則”(關(guān)聯(lián)變量));

輸出操作數(shù)必須為左值；這個(gè)顯然。

2. 多個(gè)操作數(shù)，或沒(méi)有輸出操作數(shù)

如果某個(gè)指令有多個(gè)輸入或輸出操作數(shù)怎么辦？例如arm有很多指令是三操作數(shù)指令。這個(gè)時(shí)候用逗號(hào)分隔多個(gè)規(guī)則：

asm(“add %0, %1, %2”:”=r”(sum):”r”(a), “r”(b));

每條操作數(shù)規(guī)則按順序?qū)?yīng)操作數(shù)%0, %1, %2。

對(duì)于沒(méi)有輸出操作數(shù)的情況，在匯編指令后就沒(méi)有輸出規(guī)則，于是就出現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)冒號(hào)，后跟輸入規(guī)則。

3. 輸入-輸出（或讀-寫）操作數(shù)

有時(shí)候一個(gè)操作數(shù)既是輸入又是輸出，比如x86下的這條指令：

add %eax, %ebx

注意指令使用AT&T格式而不是Intel格式。寄存器ebx同時(shí)作為輸入操作數(shù)和輸出操作數(shù)。對(duì)這樣的操作數(shù)，在規(guī)則前使用”+”字符：

asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b));

對(duì)應(yīng)C語(yǔ)言語(yǔ)句a=a+b。

注意這樣的操作數(shù)不能使用”=”符號(hào)，因?yàn)間cc看到”=”符號(hào)會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)單輸出操作數(shù)，于是在將嵌入?yún)R編轉(zhuǎn)換為真正匯編的時(shí)候就不會(huì)預(yù)先將變量a的值加載到寄存器%0中。

另一個(gè)辦法是將讀-寫操作數(shù)在邏輯上拆分為兩個(gè)操作數(shù)：

asm(“add %2, %0” : “=r”(a) : “0”(a), “r”(b));

對(duì)“邏輯”輸入操作數(shù)1指定數(shù)字規(guī)則”0”，表示這個(gè)邏輯操作數(shù)占用和操作數(shù)0一樣的“位置”（占用同一個(gè)寄存器）。這種方法的特點(diǎn)是可以將兩個(gè)“邏輯”操作數(shù)關(guān)聯(lián)到兩個(gè)不同的C語(yǔ)言變量上：

asm("add %2, %0" : "=r"(c) : "0"(a), "r"(b));

對(duì)應(yīng)于C程序語(yǔ)句c=a+b。

數(shù)字規(guī)則僅能用于輸入操作數(shù)，且必須引用到輸出操作數(shù)。拿上例來(lái)說(shuō)，數(shù)字規(guī)則”0”位于輸入規(guī)則段，且引用到輸出操作數(shù)0，該數(shù)字規(guī)則自身占用操作數(shù)計(jì)數(shù)1。

這里要注意，通過(guò)同名C語(yǔ)言變量是無(wú)法保證兩個(gè)操作數(shù)占用同一“位置”的。比如下面這樣的寫法是不行的:

（錯(cuò)誤寫法）asm(“add %2, %0”:”=r”(a):”r”(a), “r”(b));

4. 指定寄存器

有時(shí)候我們需要在指令中使用指定的寄存器；典型的栗子是系統(tǒng)調(diào)用，必須將系統(tǒng)調(diào)用碼和參數(shù)放在指定寄存器中。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們要在聲明變量時(shí)使用擴(kuò)展語(yǔ)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

注意只有在執(zhí)行匯編指令時(shí)能確定a在eax中，b在ebx中，其他時(shí)候a和b的存放位置是不可知的。

另外，在這么用的時(shí)候要注意，防止statement 2在執(zhí)行時(shí)覆蓋了eax。例如statement 2改成下面這句：

register int b asm(“%ebx”) = func();

函數(shù)調(diào)用約定會(huì)將func()的返回值放在eax里，于是破壞了statement 1對(duì)a的賦值。這個(gè)時(shí)候可以先用一條語(yǔ)句將func返回值放在臨時(shí)變量里：

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. 隱式改變寄存器

有的匯編指令會(huì)隱含修改一些不在指令操作數(shù)中的寄存器，為了讓gcc知道這個(gè)情況，將隱式改變寄存器規(guī)則列在輸入規(guī)則之后。下面是VAX機(jī)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是一條字符塊移動(dòng)（Move characters）指令）

這里要注意的是輸入/輸出規(guī)則中列出的寄存器不能和隱含改變規(guī)則中的寄存器有交叉。比如在上面的栗子里，規(guī)則“g”中就不能包含r0-r5。以指定寄存器語(yǔ)法聲明的變量，所占用的寄存器也不能和隱含改變規(guī)則有交叉。這個(gè)應(yīng)該好理解：隱含改變規(guī)則是告訴gcc有額外的寄存器需要照顧，自然不能和輸入/輸出寄存器有交集。

另外，如果你在指令里顯式指定某個(gè)寄存器，那么這個(gè)寄存器也必須列在隱式改變規(guī)則之中（有點(diǎn)繞了哈）。上面我們說(shuō)過(guò)gcc自身是不了解匯編指令的，所以你在指令中顯式指定的寄存器，對(duì)gcc來(lái)說(shuō)是隱式的，因此必須包含在隱式規(guī)則之中。另外，指令中的顯式寄存器前需要一個(gè)額外的%，比如%%eax。

6. volatile

asm volatile通知gcc你的匯編指令有side effect，千萬(wàn)不要給優(yōu)化沒(méi)了，比如上面的栗子。

如果你的指令只是做些計(jì)算，那么不需要volatile，讓gcc可以優(yōu)化它；除此以外，無(wú)腦給每個(gè)asm加上volatile或者是個(gè)好辦法。