ARM汇编与C言语的混合编程

1. C言语如何与汇编进行交互

有些时候,我们需要在汇编代码中调用C代码,或者说C代码中调用汇编代码。

那么,汇编调用C代码,或者C代码调用汇编函数,他们的函数参数、返回值是如何传递的?

对应ARM架构来说,有一个 ATPCS (ARM-Thumb Produce Call Standard),ARM-Thumb过程调用标准。ATPCS 标准规定了下面几个方面:

  • 1、函数调用过程中的寄存器用法。比如说 R4-R11 、 R13(SP) 、R14(LR) 这些寄存器的值,应该由子程序保证不改变。也就是说在执行子程序时,如果这些寄存器需要被修改的话,那么应该先压栈,然后才能再去调用子程序。
  • 2、规定函数参数和返回值的传递。一般来说 R0-R3 这4个寄存器用于函数的输入参数,然后函数的返回值是放在 R0 寄存器的。当然,如果输入参数大于 4 个参数是,寄存器就不够用了,那么这时需要使用到栈。
  • 3、规定栈对齐。如果汇编代码调用C函数,就要确保当前的栈指针指向了双字对齐的地址(如0x20000000、0x20000008、0x20002010 等)。

对于在函数调用时的参数传递过程,可归纳为如下表格:

寄存器 输入参数 返回值
R0 第 1 个输入参数 函数返回值
R1 第 2 个输入参数 不使用,或者返回值(返回值是64位时)
R2 第 3 个输入参数 不使用
R3 第 4 个输入参数 不使用

函数调用过程中,寄存器的用法如下表:

在这里插入图片描述

2. 汇编调用C函数

汇编调用C函数,是汇编与C语言混合编程遇见最多的场合了。

前面说过了,ATPCS标准,函数调用时,使用 R0-R3 传递参数,R0 作为返回值。

比如,下面的一个C函数:

int my_add_c(int x1, int x2, int x3, int x4)
{
    
    
    return (x1 + x2 + x3 + x4);
}

根据ATPCS标准,x1=R0, x2=R1, x3=R2, x4=R3, 然后返回值是存放在 R0 寄存器的。另外,还需要注意调用者保存的寄存器(R0-R3, R12)这些寄存器可能会被C函数修改。

下面的汇编代码调用C函数示例:

MOVS R0, #0x1 ; First parameter (x1)
MOVS R1, #0x2 ; Second parameter (x2)
MOVS R2, #0x3 ; Third parameter (x3)
MOVS R3, #0x4 ; Fourth parameter (x4)
IMPORT my_add_c
BL my_add_c ; Call “my_add_c” function. Result store in R0

3. C函数调用汇编函数

使用汇编代码实现函数,然后通过C代码调用汇编函数。

在汇编代码中,我们需要确保,如果C代码要修改被调用者保存的寄存器(如R4-R11等),那么在汇编代码中要先对这些寄存器进行压栈处理,然后退出函数之前将这些寄存器恢复。

如果这个C函数还可能会调用到另一个函数,那么在汇编代码中,还需要保存LR寄存器的值。

汇编函数的实现:

EXPORT My_Add

my_add_asm FUNCTION
    ADDS R0, R0, R1
    ADDS R0, R0, R2
    ADDS R0, R0, R3
    BX LR ; Return result in R0
    ENDFUNC

当然,如果汇编代码需要访问C代码中的变量,则可以使用 IMPORT 关键字(不同的工具链可能不一样,gcc工具链是 .global 关键字)

然后,在C代码中调用这个汇编函数。

extern int my_add_asm(int x1, int x2, int x3, int x4);
...
int y;
...
y = my_add_asm(1, 2, 3, 4); // call the my_add_asm function

4. C代码嵌入汇编

很多编译器都支持,在C代码中,实现汇编函数。

对应 ARM CC 编译器来说,需要在函数前面加上 __asm 关键字修饰。

比如,下面在C代码中,实现一个加法函数:

__asm int My_Add1(int x1, int x2, int x3, int x4)
{
    ADDS R0, R0, R1
    ADDS R0, R0, R2
    ADDS R0, R0, R3
    BX LR ; Return result in R0
}

当然,如果你需要在嵌入的汇编函数中,需要访问变量或者地址值,可以使用 __cpp 关键字,如下:

__asm void function_A(void)
{
    PUSH {R0-R2, LR}
    BL __cpp(LCD_clr_screen) ; 方法1调用C函数
    
    LDR R0,=__cpp(&pos_x)    ; 获取C代码变量地址,存放到R0寄存器
    LDR R0, [R0]			 ; 把 R0 的值,写到以R0的值作为地址的内存中
    
    LDR R1,=__cpp(&pos_y)
    LDR R1, [R1]
    
    LDR R2, =__cpp(LCD_pixel_set) ; Import the address of a function
    BLX R2 ; 方法2调用C函数
    POP {R0-R2, PC}
}

5. C代码内联汇编

在一个C函数中,我们可以使用内联汇编的语法,把一些汇编指令,插入到C函数里面。

比如下面的一个C函数:

int My_Add2(int i, int j)
{
    
    
    int ret;
    __asm
    {
    
    
        ADD ret, i, j
    }
    return ret;
}

这个函数,本身是一个C函数,但是在C函数内部插入了汇编指令。

对于GCC编译器,支持的内联汇编语法如下:

__asm (“ inst1 op1, op2, ... \n”
“ inst2 op1, op2, ... \n”
...
“ instN op1, op2, . \n”
: output_operands /* optional */
: input_operands /* optional */
: clobbered_operands /* optional */
);

关于内联汇编语法的详细介绍,可以参考 GUN 工具链的帮助文档 GCC-Inline-Assembly-HOWTO 。

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