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分类: LINUX

2011-09-22 19:45:07

转自:

作为最基本的编程语言之一,汇编语言虽然应用的范围不算很广,但重要性却勿庸置疑,因为它能够完成许多其它语言所无法完成的功能。就拿 Linux 内核来讲,虽然绝大部分代码是用 C 语言编写的,但仍然不可避免地在某些关键地方使用了汇编代码,其中主要是在 Linux 的启动部分。由于这部分代码与硬件的关系非常密切,即使是 C 语言也会有些力不从心,而汇编语言则能够很好扬长避短,最大限度地发挥硬件的性能。

GCC 内联汇编

用汇编编写的程序虽然运行速度快,但开发速度非常慢,效率也很低。如果只是想对关键代码段进行优化,或许更好的办法是将汇编指令嵌入到 C 语言程序中,从而充分利用高级语言和汇编语言各自的特点。但一般来讲,在 C 代码中嵌入汇编语句要比"纯粹"的汇编语言代码复杂得多,因为需要解决如何分配寄存器,以及如何与C代码中的变量相结合等问题。

GCC 提供了很好的内联汇编支持,最基本的格式是:

  1. __asm__("asm statements");  

例如:

  1. __asm__("nop");  

如果需要同时执行多条汇编语句,则应该用"\n\t"将各个语句分隔开,例如:

  1. __asm__( "pushl %%eax \n\t"  
  2.  
  3. "movl $0, %%eax \n\t"  
  4.  
  5. "popl %eax");  

通常嵌入到 C 代码中的汇编语句很难做到与其它部分没有任何关系,因此更多时候需要用到完整的内联汇编格式:

  1. __asm__("asm statements" : outputs : inputs : registers-modified); 

插入到 C 代码中的汇编语句是以":"分隔的四个部分,其中第一部分就是汇编代码本身,通常称为指令部,其格式和在汇编语言中使用的格式基本相同。指令部分是必须的,而其它部分则可以根据实际情况而省略。

在将汇编语句嵌入到C代码中时,操作数如何与C代码中的变量相结合是个很大的问题。GCC采用如下方法来解决这个问题:程序员提供具体的指令,而对寄存器的使用则只需给出"样板"和约束条件就可以了,具体如何将寄存器与变量结合起来完全由GCC和GAS来负责。

在GCC内联汇编语句的指令部中,加上前缀'%'的数字(如%0,%1)表示的就是需要使用寄存器的"样板"操作数。指令部中使用了几个样板操作数,就表明有几个变量需要与寄存器相结合,这样GCC和GAS在编译和汇编时会根据后面给定的约束条件进行恰当的处理。由于样板操作数也使用'%'作为前缀,因此在涉及到具体的寄存器时,寄存器名前面应该加上两个'%',以免产生混淆。

紧跟在指令部后面的是输出部,是规定输出变量如何与样板操作数进行结合的条件,每个条件称为一个"约束",必要时可以包含多个约束,相互之间用逗号分隔开就可以了。每个输出约束都以'='号开始,然后紧跟一个对操作数类型进行说明的字后,最后是如何与变量相结合的约束。凡是与输出部中说明的操作数相结合的寄存器或操作数本身,在执行完嵌入的汇编代码后均不保留执行之前的内容,这是GCC在调度寄存器时所使用的依据。

输出部后面是输入部,输入约束的格式和输出约束相似,但不带'='号。如果一个输入约束要求使用寄存器,则GCC在预处理时就会为之分配一个寄存器,并插入必要的指令将操作数装入该寄存器。与输入部中说明的操作数结合的寄存器或操作数本身,在执行完嵌入的汇编代码后也不保留执行之前的内容。

有时在进行某些操作时,除了要用到进行数据输入和输出的寄存器外,还要使用多个寄存器来保存中间计算结果,这样就难免会破坏原有寄存器的内容。在GCC内联汇编格式中的最后一个部分中,可以对将产生副作用的寄存器进行说明,以便GCC能够采用相应的措施。

下面是一个内联汇编的简单例子:

例4.内联汇编

  1. /* inline.c */  
  2.  
  3. int main()  
  4.  
  5. {  
  6.  
  7. int a = 10b = 0;  
  8.  
  9. __asm__ __volatile__("movl %1, %%eax \n\r"  
  10.  
  11. "movl %%eax, %0;"  
  12.  
  13. :"=r"(b) /* 输出 */  
  14.  
  15. :"r"(a) /* 输入 */  
  16.  
  17. :"%eax"); /* 不受影响的寄存器 */  
  18.  
  19. printf("Result: %d, %d\\n", a, b);  
  20.  

上面的程序完成将变量a的值赋予变量b,有几点需要说明:

变量b是输出操作数,通过%0来引用,而变量a是输入操作数,通过%1来引用。

输入操作数和输出操作数都使用r进行约束,表示将变量a和变量b存储在寄存器中。输入约束和输出约束的不同点在于输出约束多一个约束修饰符'='。

在内联汇编语句中使用寄存器eax时,寄存器名前应该加两个'%',即%%eax。内联汇编中使用%0、%1等来标识变量,任何只带一个'%'的标识符都看成是操作数,而不是寄存器。

内联汇编语句的最后一个部分告诉GCC它将改变寄存器eax中的值,GCC在处理时不应使用该寄存器来存储任何其它的值。

由于变量b被指定成输出操作数,当内联汇编语句执行完毕后,它所保存的值将被更新。

在内联汇编中用到的操作数从输出部的第一个约束开始编号,序号从0开始,每个约束记数一次,指令部要引用这些操作数时,只需在序号前加上'%'作为前缀就可以了。需要注意的是,内联汇编语句的指令部在引用一个操作数时总是将其作为32位的长字使用,但实际情况可能需要的是字或字节,因此应该在约束中指明正确的限定符:

限定符意义
"m"、"v"、"o"内存单元
"r"任何寄存器
"q"寄存器eax、ebx、ecx、edx之一
"i"、"h"直接操作数
"E"和"F"浮点数
"g"任意
"a"、"b"、"c"、"d"分别表示寄存器eax、ebx、ecx和edx
"S"和"D"寄存器esi、edi
"I"

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