GCC 内联汇编

GCC 内联汇编

 
有时为了高效，有时为了直接控制硬件，有些模块我们不得不直接用汇编语言来编写，并且对外提供调用的接口，隐藏细节，这其实就是内联汇编。如何使用内联汇编？我们就以 GCC 为例，一窥其中奥秘！

一、关键字 
    如何让 GCC 知道代码中内嵌的汇编呢？ 借助关键字！来看下面的例子：

     __asm__ __volatile__("hlt");

  __asm__ 表示后面的代码为内嵌汇编，asm 是 __asm__ 的别名。__volatile__ 表示编译器不要优化代码，后面的指令保留原样，volatile 是它的别名。括号里面是汇编指令。

二、示例分析 
  使用内嵌汇编，要先编写汇编指令模板，然后将 C 语言表达式与指令的操作数相关联，并告诉 GCC 对这些操作有哪些限制条件。示例如下：
 
   __asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));   

    movl %1,%0  是指令模板；%0  和 %1 代表指令的操作数，称为占位符，内嵌汇编靠它们将C 语言表达式与指令操作数相对应。

    指令模板后面用小括号括起来的是 C 语言表达式，本例中只有两个：result 和 input ，他们按照出现的顺序分别与指令操作数 %0 、%1 对应；注意对应顺序：第一个 C 表达式对应 %0 ；第二个表达式对应 %1 ，依次类推，操作数至多有10 个，分别用 %0, %1 …. %9 表示。

    在每个操作数前面有一个用引号括起来的字符串，字符串的内容是对该操作数的限制或者说要求。result 前面的限制字符串是 =r ，其中 = 表示 result 是输出操作数， r  表示需要将 result 与某个通用寄存器相关联，先将操作数的值读入寄存器，然后在指令中使用相应寄存器，而不是 result 本身，当然指令执行完后需要将寄存器中的值存入变量 result ，从表面上看好像是指令直接对 result 进行操作，实际上 GCC 做了隐式处理，这样我们可以少写一些指令。 input 前面的 r 表示该表达式需要先放入某个寄存器，然后在指令中使用该寄存器参加运算。 

  C 表达式或者变量与寄存器的关系由 GCC 自动处理，我们只需使用限制字符串指导 GCC 如何处理即可。限制字符必须与指令对操作数的要求相匹配，否则产生的汇编代码将会有错，读者可以将上例中的两个 r，都改为 m (m表示操作数放在内存，而不是寄存器中)，编译后得到的结果是： 

           movl input, result

很明显这是一条非法指令，因此限制字符串必须与指令对操作数的要求匹配。例如指令 movl 允许寄存器到寄存器，立即数到寄存器等，但是不允许内存到内存的操作，因此两个操作数不能同时使用 m 作为限定字符。
内嵌汇编语法如下： 

           __asm__(汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)

共四个部分：汇编语句模板，输出部分，输入部分，破坏描述部分，各部分使用“:”格开，汇编语句模板必不可少，其他三部分可选，如果使用了后面的部分，而前面部分为空，也需要用“:”格开，相应部分内容为空。例如： 

           __asm__ __volatile__("cli": : :"memory")

具体这几部分都有什么限制呢？这得从细处着手！


三、语法细节
1、汇编语句模板
    汇编语句模板由汇编语句序列组成，语句之间使用“;”、“\n” 或 “\n\t” 分开。指令中的操作数可以使用占位符引用 C 语言变量，操作数占位符最多10 个，名称如下：%0，%1，…，%9。指令中使用占位符表示的操作数，总被视为 long 型（4个字节），但对其施加的操作根据指令可以是字或者字节，当把操作数当作字或者字节使用时，默认为低字或者低字节。对字节操作可以显式的指明是低字节还是次字节。方法是在 % 和序号之间插入一个字母，b 代表低字节，h 代表高字节，例如：%h1。

2、输出部分
    输出部分描述输出操作数，不同的操作数描述符之间用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和 C 语言变量组成。每个输出操作数的限定字符串必须包含“=”表示他是一个输出操作数。 例如：
 
         __asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )

描述符字符串表示对该变量的限制条件，这样 GCC 就可以根据这些条件决定如何分配寄存器，如何产生必要的代码处理指令操作数与 C 表达式或 C 变量之间的联系。

3、输入部分
    输入部分描述输入操作数，不同的操作数描述符之间使用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和 C 语言表达式或者 C 语言变量组成。 示例如下:

例 1 ：
 __asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));

例 2：
Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr)
{ 

       __asm__(
                       "btsl %1,%0"
                       :"=m" (ADDR)
                       :"Ir" (nr));
}

后例功能是将 (*addr) 的第 nr 位设为 1。第一个占位符 %0 与 C  语言变量 ADDR 对应，第二个占位符 %1 与 C 语言变量 nr 对应。因此上面的汇编语句代码与下面的伪代码等价：btsl nr, ADDR，该指令的两个操作数不能全是内存变量，因此将 nr 的限定字符串指定为“Ir”，将 nr 与立即数或者寄存器相关联，这样两个操作数中只有 ADDR 为内存变量。

4、限制字符
    限制字符有很多种，有些是与特定体系结构相关，此处仅列出常用的限定字符和i386中可能用到的一些常用的限定符。它们的作用是指示编译器如何处理其后的 C 语言变量与指令操作数之间的关系。

 

分类	限定符	描述
通用寄存器	“a”	将输入变量放入eax
	“b”	将输入变量放入ebx
	“c”	将输入变量放入ecx
	“d”	将输入变量放入edx
	“s”	将输入变量放入esi
	“d”	将输入变量放入edi
	“q”	将输入变量放入eax，ebx，ecx，edx中的一个
	“r”	将输入变量放入通用寄存器,即eax,ebx,ecx,edx,esi,edi之一
	“A”	把eax和edx合成一个64 位的寄存器(use long longs)
内存	“m”	内存变量
	“o”	操作数为内存变量，但其寻址方式是偏移量类型, 也即基址寻址
	“V”	操作数为内存变量，但寻址方式不是偏移量类型
	“ ”	操作数为内存变量，但寻址方式为自动增量
	“p”	操作数是一个合法的内存地址（指针）
寄存器或内存	“g”	将输入变量放入eax，ebx，ecx，edx之一,或作为内存变量
	“X”	操作数可以是任何类型
立即数	“I”	0-31之间的立即数（用于32位移位指令）
	“J”	0-63之间的立即数（用于64位移位指令）
	“N”	0-255之间的立即数（用于out指令）
	“i”	立即数
	“n”	立即数,有些系统不支持除字以外的立即数,则应使用“n”而非 “i”
匹配	“ 0 ”	表示用它限制的操作数与某个指定的操作数匹配
	“1” ...	也即该操作数就是指定的那个操作数，例如“0”
	“9”	去描述“％1”操作数，那么“%1”引用的其实就是“%0”操作数，注意作为限定符字母的0－9 与指令中的“％0”－“％9”的区别，前者描述操作数, 后者代表操作数。
	&	该输出操作数不能使用过和输入操作数相同的寄存器
操作数类型	“=”	操作数在指令中是只写的（输出操作数）
	“+”	操作数在指令中是读写类型的（输入输出操作数）
浮点数	“f”	浮点寄存器
	“t”	第一个浮点寄存器
	“u”	第二个浮点寄存器
	“G”	标准的80387浮点常数
	%	该操作数可以和下一个操作数交换位置,例如addl的两个操作数可以交换顺序（当然两个操作数都不能是立即数）
	#	部分注释，从该字符到其后的逗号之间所有字母被忽略
	*	表示如果选用寄存器，则其后的字母被忽略

 5、破坏描述部分
    破坏描述符用于通知编译器我们使用了哪些寄存器或内存，由逗号格开的字符串组成，每个字符串描述一种情况，一般是寄存器名；除寄存器外还有 “memory”。例如：“%eax”，“%ebx”，“memory” 等。