嵌入C代码中的386汇编语言程序段.pdf

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1、欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！嵌入 C 代码中的 386 汇编语言程序段 当需要在 C 语言的程序中嵌入一段汇编语言程序段时，可以使用 gcc 提供的“asm”语句功能。例如，下面这么一行代码：#define _SLOW_DOWN_IO _asm_ _volatile_(“outb%al,$0 x80”)这里，暂时忽略在 asm 和 volatile 前后的两个“_”字符，这也是 gcc 对 C 语言的一种扩充，后面我们还要讲到。先来看括号里面加上了引号的汇编指令。这是一条 8 位输出指令，如前所述在操作符上加了后缀“b”以表示这

2、是 8 位的，而 0 x80 因为是常数，即所谓“直接操作数”，所以要加上前缀“$”，而寄存器名 al 也加了前缀“%”。知道了前面所讲AT&T 格式与 Intel 格式的不同，这就是一条很普通的汇编指令，很容易理解。在同一个 asm 语句中也可以插入多行汇编程序。就在同一个文件中，在不同的条件下，_SLOW_DOWN_IO 又有不同的定义：#define _SLOW_DOWN_IO _asm_ _volatile_(“jmp 1f nl:tjmp 1f n1:”)这就不怎么直观了。这里，一共插入了三行汇编语句，“n”就是换行符，而“t”则表示 TAB 符。所以 gcc 将之翻译成下面的格式而

3、交给 gas 去汇编：jmp 1f 1:jmp 1f 1:这里转移指令的目标 1f 表示往前（f 表示 forward）找到第一个标号为 1 的那一行。相应地，如果是 1b 就表示往后找。这也是从早期 Unix 汇编代码中继承下来的，读过 Unix 第6 版的读者大概都还能记得。所以，这一小段汇编代码的用意就在于使 CPU 空做两条跳转指令和消耗掉一些时间。既然是要消耗掉一些时间，而不是要节省一些时间，那么为什么要用汇编语句来实现，而不是在 C 里面来实现呢？原因在于想要对此有比较确切的控制。如果用 C 语言来消耗一些时间的话，你常常不能确切地知道经过编译以后，特别是经过优化的话，最后产生的汇

4、编代码究竟怎样。如果读者觉得这毕竟还是容易理解的话，那么下面这一段（取自 include/asm/atomic.h）就困难多了：static _inline_ void atomic_add(int i,atomic_t*v)_asm_ _volatile_(LOCK addl%1,%0:=m(v-counter):ir(i),m(v-counter);一般而言，往 C 代码中插入汇编语言的代码片段要比“纯粹”的汇编语言代码复杂得多，因为这里有个怎样分配使用寄存器，怎样与 C 语言代码中的变量结合的问题。为了这个目的，必须对所用的汇编语言作更多的扩充，增加对汇编工具的指导作用。其结果是其语法实

5、际上变成了既不同于汇编语言，也不同于 C 语言的某种中间语言。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！下面，先介绍一下插入 C 代码中的汇编成分的一般格式，并加以解释。以后，在我们走过各种情景时碰到具体的代码时还会加以提示。插入 C 代码中的一个汇编语言代码片段可以分成四部分，以“:”号加以分隔，其一般形式为：指令部:输出部:输入部:损坏部 注意不要把这些“:”号跟程序标号中所用的（如前面的 1:）混淆。第一部分就是汇编语句本身，其格式与在汇编语言程序中使用的基本相同，但也有区别，不同之处下面会讲到。这一部分可以称为“指令部”，是必须有的，

6、而其他各部分则可视具体情况而省略，所以在最简单的情况下就与常规的汇编语句基本相同，如前面的两个例子那样。当将汇编语言的代码片段嵌入到 C 代码中时，操作数与 C 代码中的变量如何结合显然是个问题。在本节开头的两个例子中，汇编指令都没有产生与 C 程序中的变量结合的问题，所以比较简单。当汇编指令中的操作数需要与 C 程序中的某些变量结合时，情况就复杂多了。这是因为：程序员在编写嵌入的汇编代码时，按照程序逻辑的要求很清楚应该选用什么指令，但是却无法确切地知道 gcc 在嵌入点的前后会把哪一个寄存器分配用于哪一个变量，以及哪一个或哪几个寄存器是空闲着的。而且，光是被动地知道 gcc 对寄存器的分配情

7、况也还是不够，还得有个手段把使用寄存器的要求告知 gcc，反过来影响它对寄存器的分配。当然，如果 gcc 的功能非常强，那么通过分析嵌入的汇编代码也应该能够归纳出这些要求，再通过优化，最后也能达到目的。但是，即使那样，所引入的不确定性也还是个问题，更何况要做到这样还不容易。针对这个问题，gcc 采取了一种折中的办法：程序员只提供具体的指令而对寄存器的使用则一般只提供一个“样板”和一些约束条件，而把到底如何与变量结合的问题留给 gcc 和 gas 去处理。在指令部中，数字加上前缀%，如%0、%1 等等，表示需要使用寄存器的样板操作数。可以使用的此类操作数的总数取决于具体 CPU 中通用寄存器的数

8、量。这样，指令部中用到了几个不同的这种操作数，就说明有几个变量需要与寄存器结合，由 gcc 和 gas 在编译和汇编时根据后面的约束条件自行变通处理。由于这些样板操作数也使用“%”前缀，在涉及到具体的寄存器时就要在寄存器名前面加上两个“%”符，以免混淆。那么，怎样表达对变量结合的约束条件呢？这就是其余几个部分的作用。紧接在指令部后面的是“输出部”，用以规定对输出变量，即目标操作数如何结合的约束条件。每个这样的条件称为一个“约束”（constraint）。必要时输出部中可以有多个约束，互相以逗号分隔。每个输出约束以“=”号开头，然后是一个字母表示对操作数类型的说明，然后是关于变量结合的约束。例如

9、，在上面的例子中，输出部为:=m(v-counter)这里只有一个约束条件，“=m”表示相应的目标操作数（指令部中的%0）是一个内存单元 v-counter。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，在执行嵌入的汇编代码以后均不保留执行之前的内容，这就给gcc提供了调度使用这些寄存器的依据。输出部后面是“输入部”。输入约束的格式与输出约束条件相似，但不带“=”号。在前面的例子中的输入部有两个约束。第一个为”ir”(i)，表示指令中的%1 可以是一个寄存欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！器中的“直接操作数”（i 表示 imm

10、ediate），并且该操作数来自于 C 代码中的变量名（这里是调用参数）i。第二个约束为m(v-counter)，意义与输出约束中相同。如果一个输入约束要求使用寄存器，则在预处理时 gcc 会为之分配一个寄存器，并自动插入必要的指令将操作数即变量的值装入该寄存器。在输入部中说明的操作数结合的寄存器或操作数本身，在执行嵌入的汇编代码后也不保留执行之前的内容。例如，这里的%1 要求使用寄存器，所以 gcc 会为其分配一个寄存器，并自动插入一条 movl 指令把参数 i 的数值装入该寄存器，可是这个寄存器原来的内容就不复存在了。如果这个寄存器本来就是空闲的，那倒无所谓，可是如果所有的寄存器都在使用，

11、而只好暂时借用一个，那就得保证在使用以后恢复其原有的内容。此时，gcc 会自动在开头处插入一条 pushl 指令，将该寄存器原来的内容保存在堆栈中，而在结束以后插入一条 popl 指令，恢复寄存器的内容。在有些操作中，除用于输入操作数和输出操作数的寄存器以外，还要将若干个寄存器用于计算或操作的中间结果。这样，这些寄存器原有的内容就损坏了，所以要在损坏部对操作的副作用加以说明，让 gcc 采取相应的措施。不过，有时候就直接把这些说明放在输出部了，那也并无不可。操作数的编号从输出部的第一个约束（序号为 0）开始，顺序数下来，每个约束计数一次，在指令部中引用这些操作数或分配用于这些操作数的寄存器时，

12、就在序号前面加上一个“%”号。在指令部中引用一个操作数时总是把它当成一个 32 位的“长字”，但是对其实施的操作，则根据需要也可以是字节操作或字（16 位）操作。对操作数进行的字节操作默认为对其最低字节的操作，字操作也是一样。不过，在一些特殊的操作中，对操作数进行字节操作时也允许明确指出是对哪一个字节操作，此时在%与序号之间插入一个“b”表示最低字节，插入一个“h”表示次低字节。表示约束条件的字母有很多。主要有：“m”，“v”和“o”表示内存单元；“r”表示任何寄存器；“q”表示寄存器 eax，ebx，ecx，edx 之一；“i”和“h”表示直接操作数；“E”和“F”表示浮点数；“g”表示“任

13、意”；“a”，“b”，“c”，“d”分别表示要求使用寄存器 eax，ebx，ecx 或 edx；“S”，“D”分别表示要求使用寄存器 esi 或 edi；“I”表示常数（0 至 31）。此外，如果一个操作数要求与前面某个约束中所要求的是同一个寄存器，那就把与那个约束对应的操作数编号放在约束条件中。在损坏部常常会以“memory”为约束条件，表示操作完成后内存中的内容已有改变，如果原来某个寄存器（也许在本次操作中并未用到）的内容来自内存，则现在可能已经不一致。还要注意，当输出部为空，即没有输出约束时，如果有输入约束存在，则须保留分隔标记“:”号。欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵

14、权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！回到上面的例子，读者现在应该可以理解这段代码的作用是将参数 i 的值加到v-counter 上。代码中的关键字 LOCK 表示在执行 addl 指令时要把系统的总线锁住，不让别的 CPU（如果系统中有不只一个 CPU）打扰。读者也许要问，将两个数相加是很简单的操作，C 语言中明明有相应的语言成分，例如“v-counter+=i;”，为什么要用汇编呢？原因就在于，这里要求整个操作只由一条指令完成，并且要将总线锁住，以保证操作的“原子性（atomic）”。相比之下，上述的 C 语句在编译之后到底有几条指令是没有保证的，也无法要求在计算过程中对总线加锁。再

15、看一段嵌入汇编代码：#ifdef CONFIG_SMP#define LOCK_PREFIX lock;#else#define LOCK_PREFIX#endif#define ADDR(*(volatile long*)addr)static inline void set_bit(int nr,volatile unsigned long*addr)_asm_ _volatile_(LOCK_PREFIX btsl%1,%0:=m(ADDR):Ir(nr);这里的指令 btsl 将一个 32 位操作数中的某一位设置成 1。参数 nr 表示该位的位置。现在读者应该不感到困难，也明白为什么要

16、用汇编语言的原因了。再来看一个复杂一点的例子：static inline void*_memcpy(void*to,const void*from,size_t n)int d0,d1,d2;_asm_ _volatile_(203:rep;movsl testb$2,%b4 je 1f movsw 1:testb$1,%b4 je 2f movsb 2:=&c(d0),=&D(d1),=&S(d2):0(n/4),q(n),1(long)to),2(long)from)欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！:memory);return

17、(to);读者也许知道 memcpy()。这里的_memcpy 就是内核中对 memcpy()的底层实现，用来复制一块内存空间的内容，而忽略其数据结构。这是使用非常频繁的一个函数，所以其运行效率十分重要。先看约束条件和变量与寄存器的结合。输出部有三个约束，对应操作数%0 至%2。其中变量 d0 为操作数%0，必须放在寄存器 ecx 中，原因等一下就会明白。同样，d1 即%1 必须放在寄存器 edi 中；d2 即%2 必须放在寄存器 esi 中。再看输入部，这里有四个约束，对应于操作数%3 至%6。其中操作数%3 与操作数%0 使用同一个寄存器，所以也必须是寄存器ecx；并且要求由 gcc 自动

18、插入必要的指令，事先将其设置成 n/4，实际上是将复制长度从字节个数 n 换算成长字个数 n/4。至于 n 本身，则要求 gcc 任意分配一个寄存器存放。操作数%5 与%6，即参数 to 与 from，分别与%1 和%2 使用相同的寄存器，所以也必须是寄存器edi 和 esi。再看指令部，读者马上就能看到这里似乎只用了%4。为什么那么多的操作数似乎都没有用到呢？读完这些指令就明白了。第一条指令是“rep”，表示下一条指令 movl 要重复执行，每重复一遍就把寄存器 ecx中的内容减 1，直到变成 0 为止。所以，在这段代码中一共执行 n/4 次。那么，movl 又干些什么呢？它从esi所指向的

19、地方复制一个长字到edi所指的地方，并使esi和edi分别加4。这样，当代码中的 203 行执行完毕，到达 204 行时，所有的长字都已复制好，最多只剩下了三个字节了。在这个过程中，实际上使用了 ecx、esi 以及 edi 三个寄存器，即%0（同时也是%3）、%2（同时也是%6）以及%1（同时也是%5）三个操作数，这些都隐含在指令中，从字面上看不出来。同时，这也说明了为什么这些操作数必须存放在指定的寄存器中。接着就是处理剩下的三个字节了，先通过 testb 测试操作数%4，即复制长度 n 的最低字节中的 bit2，如果这一位为 1 就说明还有至少两个字节，所以通过指令 movsw 复制一个短

20、字（esi 和 edi 则分别加 2），否则就把它跳过。再通过 testb（注意它前面时t，表示在预处理后的汇编代码中插入一个 TAB 字符）测试操作数%4 的 bit1，如果这一位为 1 就说明还剩下一个字节，所以通过 movsb 再复制一个字节，否则就把它跳过。到达标号 2 的时候，执行就结束了。读者不妨自己写一段 C 代码来实现这个函数，编译以后用 objdump 看它的实现，并与此作一比较，相信就能体会到为什么这里要采用汇编语言。作为读者的复习材料，下面时 strcmp()的代码，不熟悉 i386 指令的读者可以找一本 Intel的指令手册对照着阅读。static inline int

21、 strncmp(const char*cs,const char*ct,size_t count)register int _res;int d0,d1,d2;_asm_ _volatile_(1:decl%3 /欢迎您阅读并下载本文档，本文档来源于互联网，如有侵权请联系删除！我们将竭诚为您提供优质的文档！js 2f lodsb scasb jne 3f testb%al,%al jne 1b 2:xorl%eax,%eax jmp 4f 3:sbbl%eax,%eax orb$1,%al 4:=a(_res),=&S(d0),=&D(d1),=&c(d2):1(cs),2(ct),3(co

22、unt);return _res;对这段代码的解释如下.输出部的约束条件有四个，为从%0 到%3，%0 存放_res，必须放在寄存器 eax 里面。%1 存放 d0，必须放在 edi 寄存器里面。%2 存放 d1，必须放在 edi。%3存放 d2，必须放在 ecx 里面。输入约束条件有三个，分别对应上面的%1 到%3.分别存放输入参数 cx，ct，count。下面来看指令部，“decl%3”对count减1，“js 2f”，为负数就向前跳转到2处，“lodsb”将地址 DS:(E)SI 的值装入 AL，并且 esi+。scasb，用 AL 中的字节值与 ES:(E)DI 处的字符相比较，然后设

23、置标志位，并且 edi+。“jne 3f”，不相等就向前跳转到 3 处。“testb%al,%al”测试 al 中的值是不是 NULL.“jne 1b”不是 NULL 就向后跳转到 1 处。“xorl%eax,%eax”，是 NULL，则将 eax 寄存器清 0.“jmp 4f”直接跳转到 4 处结束。3:sbbl%eax,%eax。将 eax 清 0，orb$1,%alal 与 1 异或。上面函数的总体功能就是将字符串 cs 与字符串 ct 的前 count 个字符进行比较。参数：cs-字符串，ct-字符串，count-比较的字符数。%0-eax(_res)返回值，%1-edi(cs)串 1 指针，%2-esi(ct)串 2 指针，%3-ecx(count)。返回：如果串 1！=串 2，则返回 1；串 1=串 2，则返回 0；。