C#嵌入x86汇编——一个GPIO接口的实现

开始进入工业自动化，买的工控机带有GPIO接口，可用于直接控制继电器。

从厂家拿到接口手册一看，居然是汇编直接操作端口，基本上是IN/OUT指令了。接口很简单，计算位移，读取；计算位移，写入。

这种接口，常见有四种办法，分别是四种语言实现，一是直接写ASM，不过要公开给C#做的应用程序调用，很不容易，另外三种是C/C++/Delphi嵌入汇编，倒是问题不大。

接口实在是小，不想大动干戈，所以想了别的办法。

第五种，用C++/CLI，这也是一个不错的主意。但是我甚至想省掉这个接口DLL，于是有了第六种办法：C#嵌入x86汇编。

 

C#是没办法像C/C++/Delphi那样直接嵌入x86汇编的，所以需要做点手脚。

在汇编里面，我们为了修改一个软件经常找一块空白区域来写汇编代码，然后Jmp过去执行。（不明白这一句话的可以跳过，或者去看雪论坛）

但是显然要在C#代码里面这么做很不现实，即使用C/C++编译得到obj，C#也没办法链接这个obj。（这个涉及编译的也可以跳过）

回头一想（其实不是现在想，07年就做过C#嵌入汇编），其实C#也跑在x86上，IL指令最终还是要编译成x86汇编指令的，我们应该可以这些写汇编指令，所需要的只是一块空间而已。

我们可以申请一块非托管空间嘛，于是有：

// 分配内存

var ptr = Marshal.AllocHGlobal(code.Length);

有了空间，我们就可以把二进制的汇编指令给写进去啦：

// 写入汇编指令

Marshal.Copy(code, 0, ptr, code.Length);

然后呢？.Net提供一个途径，让我们可以把一个内存指针转为一个委托（一直都说.Net的委托其实就是C/C++的函数指针哈）：

// 转为委托

return (T)(Object)Marshal.GetDelegateForFunctionPointer(ptr, typeof(T));

 

那么，剩下的问题，就是如何把汇编转为二进制了！

这个我们是不能像C/C++/Delphi那样直接写汇编指令的，所以得走点弯路。

我的做法是用OD随便打开一个程序，在上面直接写汇编代码，然后把汇编的十六进制复制出来，放到C#代码中。

剩下的就不多说了，直接上代码吧！

 

GPIO接口实现

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Text;

using System.Runtime.InteropServices;

using System.Diagnostics;

using System.IO;

 

namespace ConsoleApplication19

{

    class GPIO

    {

        #region 属性

        private Int32 _Offset;

        /// <summary>选择位移</summary>

        public Int32 Offset { get { return _Offset; } set { _Offset = value; } }

 

        private Int32 _Bit;

        /// <summary>选择位</summary>

        public Int32 Bit { get { return _Bit; } set { _Bit = value; } }

        #endregion

 

        #region 构造

        private GPIO(Int32 offset, Int32 bit)

        {

            Offset = offset;

            Bit = bit;

        }

 

        private GPIO(Int32 gpio)

        {

            Offset = gpio / 16;

            Bit = gpio % 16;

        }

        #endregion

 

        #region 预定义针脚

        public static GPIO Pin2 = new GPIO(0, 6);

        public static GPIO Pin3 = new GPIO(0, 7);

        public static GPIO Pin4 = new GPIO(2, 1);

        public static GPIO Pin5 = new GPIO(2, 4);

        public static GPIO Pin6 = new GPIO(1, 0);

        public static GPIO Pin7 = new GPIO(1, 4);

        public static GPIO Pin8 = new GPIO(3, 3);

        public static GPIO Pin9 = new GPIO(3, 4);

 

        public static GPIO IO6 = new GPIO(6);

        public static GPIO IO7 = new GPIO(7);

        public static GPIO IO17 = new GPIO(17);

        public static GPIO IO20 = new GPIO(20);

        public static GPIO IO8 = new GPIO(8);

        public static GPIO IO12 = new GPIO(12);

        public static GPIO IO27 = new GPIO(27);

        public static GPIO IO28 = new GPIO(28);

        #endregion

 

        #region 业务

        /// <summary>是否启用</summary>

        public Boolean Enable { get { return Read(Offset, Bit); } set { WriteBit(Offset, Bit, value); } }

 

        /// <summary>是否输出</summary>

        public Boolean Output { get { return Read(Offset + 4, Bit); } set { WriteBit(Offset + 4, Bit, value); } }

 

        /// <summary>是否设置数据位</summary>

        public Boolean Data { get { return Read(Offset + 12, Bit); } set { WriteBit(Offset + 12, Bit, value); } }

        #endregion

 

        #region 读取端口

        const Int16 BASEADDRESS = 0x500;

 

        Boolean Read(Int32 offset, Int32 bit)

        {

            var d = ReadHandler((Int16)(BASEADDRESS + offset));

            var c = (Byte)~(1 << bit);

            d &= c;

            return d == c;

        }

 

        private static ReadFunc _ReadHandler;

        /// <summary>属性说明</summary>

        public static ReadFunc ReadHandler { get { return _ReadHandler ?? (_ReadHandler = GetReadHandler()); } }

 

        //static IntPtr ptr;

        static ReadFunc GetReadHandler()

        {

            // 汇编指令

            var code = new Byte[] {

                0x66, 0x8B, 0x55, 0x08, //mov dx, word ptr [ebp+8]

                0xEC, //in al, dx

            };

 

            return (ReadFunc)InjectASM<ReadFunc>(code);

        }

 

        public delegate Byte ReadFunc(Int16 address);

        #endregion

 

        #region 写入端口

        void Write(Int32 offset, Int32 value)

        {

            WriteHandler((Int16)(BASEADDRESS + offset), (Byte)value);

        }

 

        private static WriteFunc _WriteHandler;

        /// <summary>属性说明</summary>

        public static WriteFunc WriteHandler { get { return _WriteHandler ?? (_WriteHandler = GetWriteHandler()); } }

 

        static WriteFunc GetWriteHandler()

        {

            // 汇编指令

            var code = new Byte[] {

                0x66, 0x8B, 0x55, 0x08, //mov dx, word ptr [ebp+8]

                0x8A, 0x45, 0x0C, //mov al, byte ptr [ebp+C]

                0xEE  //out dx, al

            };

 

            return InjectASM<WriteFunc>(code);

        }

 

        public delegate void WriteFunc(Int16 address, Byte bit);

        #endregion

 

        #region 写入端口位

        void WriteBit(Int32 offset, Int32 bit, Boolean value)

        {

            if (value)

                SetBitHandler((Int16)(BASEADDRESS + offset), (Byte)bit);

            else

                ClearBitHandler((Int16)(BASEADDRESS + offset), (Byte)bit);

        }

 

        private static WriteBitFunc _SetBitHandler;

        /// <summary>设置位</summary>

        public static WriteBitFunc SetBitHandler { get { return _SetBitHandler ?? (_SetBitHandler = GetSetBitHandler()); } }

 

        private static WriteBitFunc _ClearBitHandler;

        /// <summary>清除位</summary>

        public static WriteBitFunc ClearBitHandler { get { return _ClearBitHandler ?? (_ClearBitHandler = GetClearBitHandler()); } }

 

        static WriteBitFunc GetSetBitHandler()

        {

            // 汇编指令

            var code = new Byte[] {

                0x53, //push ebx

                0x51, //push ecx

                0x66, 0x8B, 0x55, 0x08, //mov dx, word ptr [ebp+8]

                0x8A, 0x45, 0x0C, //mov al, byte ptr [ebp+C]

                0xB3, 0x01, //mov bl, 1

                0xD2, 0xE3, //shl bl, cl

                0xEC, //in al, dx

                0x08, 0xD8, //or al, bl

                0xEE, //out dx, al

                0x59, //pop ecx

                0x5B  //pop ebx

            };

 

            return InjectASM<WriteBitFunc>(code);

        }

 

        static WriteBitFunc GetClearBitHandler()

        {

            // 读出字节，取消指定位后重新写回去

            var code = new Byte[] {

                0x53, //push ebx

                0x51, //push ecx

                0x66, 0x8B, 0x55, 0x08, //mov dx, word ptr [ebp+8]

                0x8A, 0x45, 0x0C, //mov al, byte ptr [ebp+C]

                0xB3, 0x01, //mov bl, 1

                0xD2, 0xE3, //shl bl, cl

                0xF6, 0xD3, //not bl

                0xEC, //in al, dx

                0x20, 0xD8, //and al, bl

                0xEE, //out dx, al

                0x59, //pop ecx

                0x5B, //pop ebx

            };

 

            return InjectASM<WriteBitFunc>(code);

        }

 

        public delegate void WriteBitFunc(Int16 address, Byte bit);

        #endregion

 

        #region 注入汇编

        static T InjectASM<T>(Byte[] code)

        {

            // 汇编指令

            var code1 = new Byte[] {

                0x55, //push ebp

                0x8B, 0xEC, //mov ebp, esp

                0x52, //push edx

            };

            var code2 = new Byte[] {

                0x5A, //pop edx

                0x8B, 0xE5, //mov esp, ebp

                0x5D, //pop ebp

                0xC3  //ret

            };

 

            //var cbs = new Byte[code1.Length + code.Length + code2.Length];

            var ms = new MemoryStream();

            ms.Write(code1, 0, code1.Length);

            ms.Write(code, 0, code.Length);

            ms.Write(code2, 0, code2.Length);

            code = ms.ToArray();

 

            // 分配内存

            var ptr = Marshal.AllocHGlobal(code.Length);

            // 写入汇编指令

            Marshal.Copy(code, 0, ptr, code.Length);

            // 设为可执行

            VirtualProtectExecute(ptr, code.Length);

 

            Console.WriteLine("0x{0:X8}", ptr.ToInt32());

            Console.ReadKey(true);

             

            // 转为委托

            return (T)(Object)Marshal.GetDelegateForFunctionPointer(ptr, typeof(T));

        }

        #endregion

 

        #region 辅助

        //[DllImport("kernel32.dll", SetLastError = true)]

        //static extern int VirtualQueryEx(int hProcess, ref object lpAddress, ref MEMORY_BASIC_INFORMATION lpBuffer, int dwLength);

        [DllImport("kernel32.dll", SetLastError = true)]

        static extern int VirtualProtectEx(IntPtr hProcess, IntPtr lpAddress, int dwSize, int flNewProtect, ref int lpflOldProtect);

        static Boolean VirtualProtectExecute(IntPtr address, Int32 size)

        {

            const Int32 PAGE_EXECUTE_READWRITE = 0x40;

            Int32 old = 0;

            return VirtualProtectEx(Process.GetCurrentProcess().Handle, address, size, PAGE_EXECUTE_READWRITE, ref old) == 0;

        }

        #endregion

    }

}

 

这里有个旧版本：http://bbs.53wb.com/forum.php?mod=viewthread&tid=137