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[操作系统]Linux内核系列—C语言中内嵌汇编 asm __volatile__


在内嵌汇编中,可以将C语言表达式指定为汇编指令的操作数,而且不用去管如何将C语言表达式的值读入哪个寄存器,以及如何将计算结果写回C 变量,你只要告诉程序中C语言表达式与汇编指令操作数之间的对应关系即可, GCC会自动插入代码完成必要的操作。

1、简单的内嵌汇编
例:

       __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。

2、内嵌汇编举例
   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。例如在下面的汇编语句:
    

__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")

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:
           __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。
例1 :
             __asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例二(bitops.h):


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
   4.1、限制字符列表
   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
                                              这里有一个问题:假设eax已经被使用,那怎么办?
                                              其实很简单:因为GCC 知道eax 已经被使用,它在这段汇编代码
                                       的起始处插入一条语句pushl %eax,将eax 内容保存到堆栈,然
                                              后在这段代码结束处再增加一条语句popl %eax,恢复eax的内容
                         "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,也就是eax,ebx,ecx,
                                              edx,esi,edi中的一个
                         "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,但是其寻址方式是偏移量类型,
                                            也即是基址寻址,或者是基址加变址寻址
                         "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中的一个
                                            或者作为内存变量
                         "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,
                                          这些系统应该使用"n"而不是"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。

"memory"比较特殊,可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它,先介绍一下编译器的优化知识,再看C关键字volatile。最后去看该描述符。