C语言与汇编语言之间的函数调用

教材：嵌入式系统及应用，罗蕾、李允、陈丽蓉等，电子工业出版社

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ARM 程序设计

C与汇编之间的函数调用

ATPCS简介

• ARM-Thumb 过程调用标准 ATPCS（ARM-Thumb Procedure Call Standard）
• ATPCS 标准既是ARM 编译器使用的函数调用规则，也是设计可被 C 程序调用的汇编函数的编写规则

堆栈与寄存器在函数调用中的作用

• 函数是通过寄存器和堆栈来传递参数和返回函数值的
• 形参和返回值都应定义在具有暂存性质的寄存器和堆栈中

ATPCS关于堆栈和寄存器的使用规则

• ATPCS 规定，ARM 的数据堆栈为 FD 型堆栈，即满递减堆栈
  

• 对于参数个数不多于 4 的函数，编译器必须按参数在列表中的顺序，自左向右 为它们分配寄存器 R0~R3

• 其中函数返回时，R0 还被用来存放函数的返回值

• 如果函数的参数多于 4 个，那么多余的参数则按自右向左的顺序压入数据堆栈（参数入栈顺序与参数顺序相反）

• 一个浮点数可能几个整数型的寄存器进行传送

• 双精度和long long类型的参数通过两个连续的寄存器来传递，返回值通过R0和R1返回（大端系统下，R0包含高位有效字）

• ATPCS规定的寄存器名称及使用
  

  RWPI：读写位置无关（编译器选项）

• 为确保性能，函数内部最多使用12个局部变量

• 寄存器的别名和特殊名称都是ARM编译器和汇编器预定义的，用户可以直接使用

C程序调用汇编函数实例

• 程序员代替C编译器把C函数翻译成汇编程序

• 下面是一个用汇编语言编写的函数，该函数把 R1 指向的数据块复制到 R0 指向的存储块

  AREA Strcopy, CODE, READONLY
         EXPORT strcopy       ;声明strcopy为导出符号
  strcopy  
         LDRB R2, [R1], #1    ;R1的值为源数据首地址
         STRB R2, [R0], #1    ;R0的值为目标数据块首地址
         CMP R2, #0
         BNE strcopy
         MOV PC, LR       ;复制完毕，返回
         END

• 根据参数与寄存器直接的规则，可知汇编函数 strcopy 在C程序中原型应该为：void strcopy(char *d, const char* s);

• 在C语言文件中，调用 strcopy 函数的方法如下

  extern void strcopy(char *d, const char * s); //声明strcopy为外部引用符号
  int main(void)
  {
    const char *src = “source”;
    char dest[10];
  ...
  strcopy(dest, src);     //调用汇编函数strcopy
  ...
  }

汇编程序调用C函数实例

• 现有C函数 g() 如下

  int g(int a, int b, int c, int d, int e)
  {
  return a+b+c+d+e;
  }

• 汇编函数f中调用C函数g()，以实现下面的功能

  int f(int i) 
  {
  return –g(i, 2*i, 3*i, 4*i,5*i);
  }

• 整个汇编函数 f 的代码如下

  EXPORT    f   
  AREA   f,  CODE,  READONLY
  IMPORT   g   ;声名g为外部引用符号
  STR   LR,   [SP, #-4]  ;断点存入堆栈
  ADD  R1, R0, R0  ；（R1）= i*2
  ADD  R2, R1, R0  ；（R2）= i*3
  ADD  R3, R1, R2  ；（R3）= i*5
  STR   R3, [SP, #-4]   ;将（R3）即第5个参数i*5存入堆栈
  ADD  R3, R1, R1 ；（R3）= i*4
  BL  g  ;调用C函数g()，返回值在寄存器R0中
  ADD SP, SP, #4    ;清栈
  RSB R0, R0, #0    ;函数f的返回值（R0）=0-（R0）
  LDR PC, [SP], #4  ;恢复断点并返回
  END

  调用时第5个参数放在数据堆栈段，所以调用C函数后需要清栈

C/C++语言和汇编语言的混合程序设计

在 C 程序中内联或嵌入式汇编代码，以提高程序的效率

内联汇编

• 在 C 程序中直接编写汇编程序段而形成一个语句块，这个语句块可以使用除了 BX 和 BLX之外的全部ARM指令来编写

• 可以使程序实现一些不能从C获得的底层功能

• void enable_IRQ(void)
  {
  int tmp;
    _ _asm     //声名内联汇编代码
    {
        MRS  tmp, CPSR
        BIC  tmp, tmp, #0x80
        MSR  CPSR_c, tmp
    }
  }

• 汇编语句块中，如果有两条指令占据了同一行，那么必须用分号“ ；”将它们分隔

• 如果一条指令需要占用多行，那么必须用反斜线符号“ \ ”作为续行符

• 可以在内联汇编语言块内的任意位置使用C/C++格式的注释

• 内联汇编代码中定义的标号可被用作跳转或C/C++ goto 语句的目标，同样，在C/C++代码中定义的标号，也可被用作内联汇编代码跳转指令的目标

• 内联汇编的限制

  • 它不支持 Thumb 指令；除了程序状态寄存器 PSR 之外，不能直接访问其他任何物理寄存器
  • 如果在内联汇编程序指令中出现了以某个寄存器名称命名的操作数，那么它被叫做虚拟寄存器，而不是实际的物理寄存器。编译器在生成和优化代码的过程中，会给每个虚拟寄存器分配实际的物理寄存器，但这个物理寄存器可能与在指令中指定的不同。
  • 在内联汇编代码中不能使用寄存器 PC（R15）、LR（R14）和SP（R13）
  • 更改处理器模式会禁止使用 C 操作数或对已编译 C 代码的调用，直到将处理器模式恢复为原设置之后

• 状态寄存器 PSR ，任何对 PSR 的引用总是执行指向物理 PSR

• 在内联汇编语句块中最好使用 C 或 C++ 变量作为操作数

嵌入式汇编

• 嵌入式汇编程序是一个编写在C程序外的单独汇编程序，该程序段可以像函数那样被 C 程序调用

• 嵌入式汇编具有真实汇编的所有特性，数据交换符合 ATPCS 标准，同时支持 ARM 和Thumb，所以它可以对目标处理器进行不受限制的低级访问

• 不能直接引用 C/C++ 的变量

• 定义一个嵌入式汇编函数的语法格式为

  _ _asm return–type function–name(parameter-list)
  {
    汇编程序段
  }

  • return–type：函数返回值类型，C语言中的数据类型
  • function–name：函数名
  • parameter-list：函数参数列表

• 参数名只允许使用在参数列表中，不能用在嵌入式汇编函数体内

• 在 C 程序中调用嵌入式汇编程序的方法与调用 C 函数的方法相同

内联汇编与嵌入式汇编的差异

• 内联汇编代码使用高级处理器抽象，并在代码生成过程中与 C 和 C++代码集成。因此编译程序将 C 和 C++代码与汇编代码一起进行优化

• 嵌入式汇编代码从 C 和 C++ 代码中分离出来单独进行汇编，产生与 C 和 C++ 源代码编译对象相结合的编译对象

• 可通过编译程序来内联汇编代码，但无论是显示还是隐式，都无法内联嵌入式汇编代码

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