有時爲了高效,有時爲了直接控制硬件,有些模塊我們不得不直接用彙編語言來編寫,並且對外提供調用的接口,隱藏細節,這其實就是內聯彙編。如何使用內聯彙編?我們就以 GCC 爲例,一窺其中奧祕!
一、關鍵字
如何讓 GCC 知道代碼中內嵌的彙編呢? 藉助關鍵字!來看下面的例子:
__asm__
__volatile__("hlt");
__asm__ 表示後面的代碼爲內嵌彙編,asm 是 __asm__ 的別名。__volatile__ 表示編譯器不要優化代碼,後面的指令保留原樣,volatile 是它的別名。括號裏面是彙編指令。
二、示例分析
使用內嵌彙編,要先編寫彙編指令模板,然後將 C 語言表達式與指令的操作數相關聯,並告訴 GCC 對這些操作有哪些限制條件。示例如下:
__asm__
__violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m"
(input));
movl %1,%0
是指令模板;%0
和 %1 代表指令的操作數,稱爲佔位符,內嵌彙編靠它們將C 語言表達式與指令操作數相對應。
指令模板後面用小括號括起來的是 C 語言表達式,本例中只有兩個:result 和 input ,他們按照出現的順序分別與指令操作數 %0 、%1 對應;注意對應順序:第一個 C 表達式對應 %0 ;第二個表達式對應%1 ,依次類推,操作數至多有10 個,分別用 %0,
%1 …. %9 表示。
在每個操作數前面有一個用引號括起來的字符串,字符串的內容是對該操作數的限制或者說要求。result 前面的限制字符串是 =r ,其中 = 表示 result 是輸出操作數, r
表示需要將 result 與某個通用寄存器相關聯,先將操作數的值讀入寄存器,然後在指令中使用相應寄存器,而不是 result 本身,當然指令執行完後需要將寄存器中的值存入變量 result ,從表面上看好像是指令直接對 result 進行操作,實際上 GCC 做了隱式處理,這樣我們可以少寫一些指令。 input 前面的 r 表示該表達式需要先放入某個寄存器,然後在指令中使用該寄存器參加運算。
C 表達式或者變量與寄存器的關係由 GCC 自動處理,我們只需使用限制字符串指導 GCC 如何處理即可。限制字符必須與指令對操作數的要求相匹配,否則產生的彙編代碼將會有錯,讀者可以將上例中的兩個 r,都改爲 m
(m表示操作數放在內存,而不是寄存器中),編譯後得到的結果是:
movl
input, result
很明顯這是一條非法指令,因此限制字符串必須與指令對操作數的要求匹配。例如指令 movl 允許寄存器到寄存器,立即數到寄存器等,但是不允許內存到內存的操作,因此兩個操作數不能同時使用 m 作爲限定字符。
內嵌彙編語法如下:
__asm__(彙編語句模板: 輸出部分: 輸入部分: 破壞描述部分)
共四個部分:彙編語句模板,輸出部分,輸入部分,破壞描述部分,各部分使用“:”格開,彙編語句模板必不可少,其他三部分可選,如果使用了後面的部分,而前面部分爲空,也需要用“:”格開,相應部分內容爲空。例如:
__asm__
__volatile__("cli": : :"memory")
具體這幾部分都有什麼限制呢?這得從細處着手!
三、語法細節
1、彙編語句模板
彙編語句模板由彙編語句序列組成,語句之間使用“;”、“\n” 或 “\n\t” 分開。指令中的操作數可以使用佔位符引用 C 語言變量,操作數佔位符最多10 個,名稱如下:%0,%1,…,%9。指令中使用佔位符表示的操作數,總被視爲 long 型(4個字節),但對其施加的操作根據指令可以是字或者字節,當把操作數當作字或者字節使用時,默認爲低字或者低字節。對字節操作可以顯式的指明是低字節還是次字節。方法是在 % 和序號之間插入一個字母,b 代表低字節,h 代表高字節,例如:%h1。
2、輸出部分
輸出部分描述輸出操作數,不同的操作數描述符之間用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和 C語言變量組成。每個輸出操作數的限定字符串必須包含“=”表示他是一個輸出操作數。 例如:
__asm__
__volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x)
)
描述符字符串表示對該變量的限制條件,這樣 GCC 就可以根據這些條件決定如何分配寄存器,如何產生必要的代碼處理指令操作數與 C 表達式或 C 變量之間的聯繫。
3、輸入部分
輸入部分描述輸入操作數,不同的操作數描述符之間使用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和C 語言表達式或者 C 語言變量組成。 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));
}
後例功能是將 (*addr) 的第 nr 位設爲 1。第一個佔位符 %0 與 C 語言變量 ADDR 對應,第二個佔位符%1 與 C 語言變量 nr 對應。因此上面的彙編語句代碼與下面的僞代碼等價:btsl
nr,
ADDR,該指令的兩個操作數不能全是內存變量,因此將 nr 的限定字符串指定爲“Ir”,將 nr 與立即數或者寄存器相關聯,這樣兩個操作數中只有 ADDR 爲內存變量。
4、限制字符
限制字符有很多種,有些是與特定體系結構相關,此處僅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。它們的作用是指示編譯器如何處理其後的 C 語言變量與指令操作數之間的關係。
分類 |
限定符 |
描述 |
通用寄存器 |
“a” |
將輸入變量放入eax |
“b” |
將輸入變量放入ebx |
|
“c” |
將輸入變量放入ecx |
|
“d” |
將輸入變量放入edx |
|
“s” |
將輸入變量放入esi |
|
“d” |
將輸入變量放入edi |
|
“q” |
將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx中的一個 |
|
“r” |
將輸入變量放入通用寄存器,即eax,ebx,ecx,edx,esi,edi之一 |
|
“A” |
把eax和edx合成一個64 位的寄存器(use long longs) |
|
內存 |
“m” |
內存變量 |
“o” |
操作數爲內存變量,但其尋址方式是偏移量類型, 也即基址尋址 |
|
“V” |
操作數爲內存變量,但尋址方式不是偏移量類型 |
|
“ ” |
操作數爲內存變量,但尋址方式爲自動增量 |
|
“p” |
操作數是一個合法的內存地址(指針) |
|
寄存器或內存 |
“g” |
將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx之一,或作爲內存變量 |
“X” |
操作數可以是任何類型 |
|
立即數 |
“I” |
0-31之間的立即數(用於32位移位指令) |
“J” |
0-63之間的立即數(用於64位移位指令) |
|
“N” |
0-255之間的立即數(用於out指令) |
|
“i” |
立即數 |
|
“n” |
立即數,有些系統不支持除字以外的立即數,則應使用“n”而非 “i” |
|
匹配 |
“ 0 ” |
表示用它限制的操作數與某個指定的操作數匹配 |
“1” ... |
也即該操作數就是指定的那個操作數,例如“0” |
|
“9” |
去描述“%1”操作數,那麼“%1”引用的其實就是“%0”操作數,注意作爲限定符字母的0-9 與指令中的“%0”-“%9”的區別,前者描述操作數, 後者代表操作數。 |
|
& |
該輸出操作數不能使用過和輸入操作數相同的寄存器 |
|
操作數類型 |
“=” |
操作數在指令中是隻寫的(輸出操作數) |
“+” |
操作數在指令中是讀寫類型的(輸入輸出操作數) |
|
浮點數 |
“f” |
浮點寄存器 |
“t” |
第一個浮點寄存器 |
|
“u” |
第二個浮點寄存器 |
|
“G” |
標準的80387浮點常數 |
|
% |
該操作數可以和下一個操作數交換位置,例如addl的兩個操作數可以交換順序(當然兩個操作數都不能是立即數) |
|
# |
部分註釋,從該字符到其後的逗號之間所有字母被忽略 |
|
* |
表示如果選用寄存器,則其後的字母被忽略 |
5、破壞描述部分
破壞描述符用於通知編譯器我們使用了哪些寄存器或內存,由逗號格開的字符串組成,每個字符串描述一種情況,一般是寄存器名;除寄存器外還有 “memory”。例如:“%�x”,“%�x”,“memory”等。