教材：嵌入式系統及應用，羅蕾、李允、陳麗蓉等，電子工業出版社

ARM 程式設計

C與彙編之間的函式呼叫

ATPCS簡介

• ARM-Thumb 過程呼叫標準 ATPCS（ARM-Thumb Procedure Call Standard）
• ATPCS 標準既是ARM 編譯器使用的函式呼叫規則，也是設計可被 C 程式呼叫的彙編函式的編寫規則

堆疊與暫存器在函式呼叫中的作用

• 函式是通過暫存器和堆疊來傳遞引數和返回函式值的
• 形參和返回值都應定義在具有暫存性質的暫存器和堆疊中

ATPCS關於堆疊和暫存器的使用規則

• ATPCS 規定，ARM 的資料堆疊為 FD 型堆疊，即滿遞減

  堆疊
  

• 對於引數個數不多於 4 的函式，編譯器必須按引數在列表中的順序，自左向右 為它們分配暫存器 R0~R3

• 其中函式返回時，R0 還被用來存放函式的返回值

• 如果函式的引數多於 4 個，那麼多餘的引數則按自右向左的順序壓入資料堆疊（引數入棧順序與引數順序相反）

• 一個浮點數可能幾個整數型的暫存器進行傳送

• 雙精度和long long型別的引數通過兩個連續的暫存器來傳遞，返回值通過R0和R1返回（大端系統下，R0包含高位有效字）

• ATPCS規定的暫存器名稱及使用
  

  RWPI：讀寫位置無關（編譯器選項）

• 為確保效能，函式內部最多使用12個區域性變數

• 暫存器的別名和特殊名稱都是ARM編譯器和彙編器預定義的

  ，使用者可以直接使用

C程式調用匯編函式例項

• 程式設計師代替C編譯器把C函式翻譯成彙編程式

• 下面是一個用匯編語言編寫的函式，該函式把 R1 指向的資料塊複製到 R0 指向的儲存塊

  AREA Strcopy, CODE, READONLY
         EXPORT strcopy       ;宣告strcopy為匯出符號
  strcopy  
         LDRB R2, [R1], #1    ;R1的值為源資料首地址
         STRB R2, [R0], #1    ;R0的值為目標資料塊首地址
         CMP R2, #0
         BNE strcopy
         MOV
   
   PC, LR       ;複製完畢，返回
         END

• 根據引數與暫存器直接的規則，可知彙編函式 strcopy 在C程式中原型應該為：void strcopy(char *d, const char* s);

• 在C語言檔案中，呼叫 strcopy 函式的方法如下

  extern void strcopy(char *d, const char * s); //宣告strcopy為外部引用符號
  int main(void)
  {
    const char *src = “source”;
    char dest[10];
  ...
  strcopy(dest, src);     //調用匯編函式strcopy
  ...
  }

彙編程式呼叫C函式例項

• 現有C函式 g() 如下

  int g(int a, int b, int c, int d, int e)
  {
  return a+b+c+d+e;
  }

• 彙編函式f中呼叫C函式g()，以實現下面的功能

  int f(int i) 
  {
  return –g(i, 2*i, 3*i, 4*i,5*i);
  }

• 整個彙編函式 f 的程式碼如下

  EXPORT    f   
  AREA   f,  CODE,  READONLY
  IMPORT   g   ;聲名g為外部引用符號
  STR   LR,   [SP, #-4]  ;斷點存入堆疊
  ADD  R1, R0, R0  ；（R1）= i*2
  ADD  R2, R1, R0  ；（R2）= i*3
  ADD  R3, R1, R2  ；（R3）= i*5
  STR   R3, [SP, #-4]   ;將（R3）即第5個引數i*5存入堆疊
  ADD  R3, R1, R1 ；（R3）= i*4
  BL  g  ;呼叫C函式g()，返回值在暫存器R0中
  ADD SP, SP, #4    ;清棧
  RSB R0, R0, #0    ;函式f的返回值（R0）=0-（R0）
  LDR PC, [SP], #4  ;恢復斷點並返回
  END

  呼叫時第5個引數放在資料堆疊段，所以呼叫C函式後需要清棧

C/C++語言和組合語言的混合程式設計

在 C 程式中內聯或嵌入式彙編程式碼，以提高程式的效率

內聯彙編

• 在 C 程式中直接編寫彙編程式段而形成一個語句塊，這個語句塊可以使用除了 BX 和 BLX之外的全部ARM指令來編寫

• 可以使程式實現一些不能從C獲得的底層功能

• void enable_IRQ(void)
  {
  int tmp;
    _ _asm     //聲名內聯彙編程式碼
    {
        MRS  tmp, CPSR
        BIC  tmp, tmp, #0x80
        MSR  CPSR_c, tmp
    }
  }

• 彙編語句塊中，如果有兩條指令佔據了同一行，那麼必須用分號“ ；”將它們分隔

• 如果一條指令需要佔用多行，那麼必須用反斜線符號“ \ ”作為續行符

• 可以在內聯組合語言塊內的任意位置使用C/C++格式的註釋

• 內聯彙編程式碼中定義的標號可被用作跳轉或C/C++ goto 語句的目標，同樣，在C/C++程式碼中定義的標號，也可被用作內聯彙編程式碼跳轉指令的目標

• 內聯彙編的限制

  • 它不支援 Thumb 指令；除了程式狀態暫存器 PSR 之外，不能直接訪問其他任何物理暫存器
  • 如果在內聯彙編程式指令中出現了以某個暫存器名稱命名的運算元，那麼它被叫做虛擬暫存器，而不是實際的物理暫存器。編譯器在生成和優化程式碼的過程中，會給每個虛擬暫存器分配實際的物理暫存器，但這個物理暫存器可能與在指令中指定的不同。
  • 在內聯彙編程式碼中不能使用暫存器 PC（R15）、LR（R14）和SP（R13）
  • 更改處理器模式會禁止使用 C 運算元或對已編譯 C 程式碼的呼叫，直到將處理器模式恢復為原設定之後

• 狀態暫存器 PSR ，任何對 PSR 的引用總是執行指向物理 PSR

• 在內聯彙編語句塊中最好使用 C 或 C++ 變數作為運算元

嵌入式彙編

• 嵌入式彙編程式是一個編寫在C程式外的單獨彙編程式，該程式段可以像函式那樣被 C 程式呼叫

• 嵌入式彙編具有真實彙編的所有特性，資料交換符合 ATPCS 標準，同時支援 ARM 和Thumb，所以它可以對目標處理器進行不受限制的低階訪問

• 不能直接引用 C/C++ 的變數

• 定義一個嵌入式彙編函式的語法格式為

  _ _asm return–type function–name(parameter-list)
  {
    彙編程式段
  }

  • return–type：函式返回值型別，C語言中的資料型別
  • function–name：函式名
  • parameter-list：函式引數列表

• 引數名只允許使用在引數列表中，不能用在嵌入式彙編函式體內

• 在 C 程式中呼叫嵌入式彙編程式的方法與呼叫 C 函式的方法相同

內聯彙編與嵌入式彙編的差異

• 內聯彙編程式碼使用高階處理器抽象，並在程式碼生成過程中與 C 和 C++程式碼整合。因此編譯程式將 C 和 C++程式碼與彙編程式碼一起進行優化

• 嵌入式彙編程式碼從 C 和 C++ 程式碼中分離出來單獨進行彙編，產生與 C 和 C++ 原始碼編譯物件相結合的編譯物件

• 可通過編譯程式來內聯彙編程式碼，但無論是顯示還是隱式，都無法內聯嵌入式彙編程式碼

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