原创 ARM中C和汇编混合编程及示例

2006-3-4

在嵌入式系统开发中，目前使用的主要编程语言是C和汇编，C++已经有相应的编译器，但是现在使用还是比较少的。在稍大规模的嵌入式软件中，例如含有OS，大部分的代码都是用C编写的，主要是因为C语言的结构比较好，便于人的理解，而且有大量的支持库。尽管如此，很多地方还是要用到汇编语言，例如开机时硬件系统的初始化，包括CPU状态的设定，中断的使能，主频的设定，以及RAM的控制参数及初始化，一些中断处理方面也可能涉及汇编。另外一个使用汇编的地方就是一些对性能非常敏感的代码块，这是不能依靠C编译器的生成代码，而要手工编写汇编，达到优化的目的。而且，汇编语言是和CPU的指令集紧密相连的，作为涉及底层的嵌入式系统开发，熟练对应汇编语言的使用也是必须的。



在嵌入式系统开发中，目前使用的主要编程语言是C和汇编，C++已经有相应的编译器，但是现在使用还是比较少的。在稍大规模的嵌入式软件中，例如含有OS，大部分的代码都是用C编写的，主要是因为C语言的结构比较好，便于人的理解，而且有大量的支持库。尽管如此，很多地方还是要用到汇编语言，例如开机时硬件系统的初始化，包括CPU状态的设定，中断的使能，主频的设定，以及RAM的控制参数及初始化，一些中断处理方面也可能涉及汇编。另外一个使用汇编的地方就是一些对性能非常敏感的代码块，这是不能依靠C编译器的生成代码，而要手工编写汇编，达到优化的目的。而且，汇编语言是和CPU的指令集紧密相连的，作为涉及底层的嵌入式系统开发，熟练对应汇编语言的使用也是必须的。

单纯的C或者汇编编程请参考相关的书籍或者手册，这里主要讨论C和汇编的混合编程，包括相互之间的函数调用。下面分四种情况来进行讨论，暂不涉及C++。

1． 在C语言中内嵌汇编

在C中内嵌的汇编指令包含大部分的ARM和Thumb指令，不过其使用与汇编文件中的指令有些不同，存在一些限制，主要有下面几个方面：

a.       不能直接向PC寄存器赋值，程序跳转要使用B或者BL指令

b.       在使用物理寄存器时，不要使用过于复杂的C表达式，避免物理寄存器冲突

c.       R12和R13可能被编译器用来存放中间编译结果，计算表达式值时可能将R0到R3、R12及R14用于子程序调用，因此要避免直接使用这些物理寄存器

d.       一般不要直接指定物理寄存器，而让编译器进行分配

内嵌汇编使用的标记是 __asm或者asm关键字，用法如下：

__asm

{

       instruction [;  instruction]

       ...

       [instruction]

}

 

asm("instruction [;  instruction]");

下面通过一个例子来说明如何在C中内嵌汇编语言，

#include 

 

void my_strcpy(const char *src, char *dest)

{

       char ch;

       

       __asm

       {

              loop:

              ldrb       ch, [src], #1

              strb       ch, [dest], #1

              cmp        ch, #0

              bne         loop

       }

}

 

int main()

{

       char *a = "forget it and move on!";

       char b[64];

       

       my_strcpy(a, b);

       printf("original: %s", a);

       printf("copyed:   %s", b);   

       return 0;

}

在这里C和汇编之间的值传递是用C的指针来实现的，因为指针对应的是地址，所以汇编中也可以访问。

 
2． 在汇编中使用C定义的全局变量

内嵌汇编不用单独编辑汇编语言文件，比较简洁，但是有诸多限制，当汇编的代码较多时一般放在单独的汇编文件中。这时就需要在汇编和C之间进行一些数据的传递，最简便的办法就是使用全局变量。

/*    cfile.c

 *    定义全局变量，并作为主调程序

 */

 

#include 

int gVar_1 = 12;

extern        asmDouble(void);

 

int main()

{

       printf("original value of gVar_1 is: %d", gVar_1);

       asmDouble();

       printf("       modified value of gVar_1 is: %d", gVar_1);

       return 0;

}

 

       对应的汇编语言文件

;called by main(in C),to double an integer, a global var defined in C is used.

 

       AREA asmfile, CODE, READONLY

 

       EXPORT       asmDouble

       IMPORT   gVar_1

 

asmDouble

       ldr r0, =gVar_1

       ldr          r1, [r0]

       mov        r2, #2       

       mul         r3, r1, r2

       

       str          r3, [r0]

       mov        pc, lr

       

       END

 
3． 在C中调用汇编的函数

在C中调用汇编文件中的函数，要做的主要工作有两个，一是在C中声明函数原型，并加extern关键字；二是在汇编中用EXPORT导出函数名，并用该函数名作为汇编代码段的标识，最后用mov        pc, lr返回。然后，就可以在C中使用该函数了。从C的角度，并不知道该函数的实现是用C还是汇编。更深的原因是因为C的函数名起到表明函数代码起始地址的左右，这个和汇编的label是一致的。

/*  cfile.c

 *  in C,call an asm function, asm_strcpy

 *       Sep 9, 2004

 */

 

#include 

extern void asm_strcpy(const char *src, char *dest);

 

int main()

{

       const        char *s = "seasons in the sun";

       char        d[32];

 

       asm_strcpy(s, d);

       printf("source: %s", s);

       printf("       destination: %s",d);

       return 0;

}

 

;asm function implementation

       AREA asmfile, CODE, READONLY

       EXPORT asm_strcpy

       

asm_strcpy

loop

       ldrb          r4, [r0], #1       address increment after read

       cmp         r4, #0

       beq           over

       strb          r4, [r1], #1

       b               loop

       

over

       mov           pc, lr

       

       END

       在这里，C和汇编之间的参数传递是通过ATPCS（ARM Thumb Procedure Call Standard）的规定来进行的。简单的说就是如果函数有不多于四个参数，对应的用R0-R3来进行传递，多于4个时借助栈，函数的返回值通过R0来返回。

 
4． 在汇编中调用C的函数

在汇编中调用C的函数，需要在汇编中IMPORT 对应的C函数名，然后将C的代码放在一个独立的C文件中进行编译，剩下的工作由连接器来处理。

;the details of parameters transfer comes from ATPCS

;if there are more than 4 args, stack will be used

 

       EXPORT asmfile

       AREA asmfile, CODE, READONLY

       IMPORT   cFun

       

       ENTRY

       

       mov        r0, #11

       mov        r1, #22

       mov        r2, #33

       

       BL       cFun

       

       END

 

/*C file,  called by asmfile */

 

int       cFun(int a, int b, int c)

{

       return a + b + c;

}

       在汇编中调用C的函数，参数的传递也是通过ATPCS来实现的。需要指出的是当函数的参数个数大于4时，要借助stack，具体见ATPCS规范。

       

小结

以上通过几个简单的例子演示了嵌入式开发中常用的C和汇编混合编程的一些方法和基本的思路，其实最核心的问题就是如何在C和汇编之间传值，剩下的问题就是各自用自己的方式来进行处理。以上只是抛砖引玉，更详细和复杂的使用方法要结合实际应用并参考相关的资料。

 
说明

以上代码在ADS 1.2的工程中编译，并在对应的AXD中软件仿真通过。

 
参考资料

1．  杜春雷，ARM体系结构与编程，清华大学出版社，2003

2．  UC/OS-II for ARM移植的相关启动代码