ARM汇编语言和C_C_语言混合编程的方法_史斌

嵌入式技术

电　子　测　量　技　术

ELECT RO NIC M EA SU REM EN T T ECHN O LO G Y

第29卷第6期

2006年12月　

ARM汇编语言和C/C++语言混合编程的方法

史斌

(天津大学电子信息工程学院天津300072)

摘　要:文中首先对在嵌入式系统设计中广泛应用的A RM系列微处理器做了简要介绍;接着详细阐述了基于A RM 核的嵌入式微处理器的汇编语言和C/C++语言混合编程的方法:包括代码简洁而功能有限的在线汇编技术和功能强大、基于模块化设计的A T PCS规则;最后给出了详细的示例代码和分析。

关键词:嵌入式系统;A RM;汇编语言;在线汇编;A T PCS规则

Programming of ARM with both assembly and C/C++language

Shi Bin

(S chool of Electronic&Information Engin eering Tianjin University,Tianjin300072)

A bstract:T his article briefly introduced A RM serial micropro ce sso r,w hich is ex tensiv ely used in embedded sy stem desig n;and then g ave the tw o metho ds of A RM-cor e embedded processor prog ramming with both assembly and C/C++ Language including in-line assembly w hich is co mpact but have so me limits and A T PCS rules w hich are pow erful and mo dularized.A t last,the re is some source code w ith analy sis for demo nstra tion.

Keywords:embedded sy stem;A RM;assembly;in-line assembly;A T PCS

0　引　言

A RM是一种高性能、低功耗的32位RISC嵌入式处理器系列。目前在各种嵌入式系统中A RM获得了广泛的应用。

A RM编程可以使用汇编语言和C/C++语言,使用汇编语言编程目标代码效率较高,但较为繁琐,设计大型系统时不易维护;而C/C++语言比较简洁明了,但代码效率即使经过优化,也比汇编语言低,特别是在一些实时性强和需要精细处理的场合,C/C++语言难以胜任。因此一个折中的办法是:使用C/C++语言写整体框架,而使用汇编语言实现局部模块,这就涉及到汇编语言和C/C ++语言混合编程的问题。为此本文介绍了在ADS中常用的2种汇编语言和C/C++语言混合编程方法:在线汇编(in-line assem bly)和AT PCS(A RM-T humb Produce C all S tandard)规则。

1　在线汇编(in-line as sembly)

在线汇编的具体含义就是:在C/C++代码中插入一段汇编代码,以实现某种C/C++无法达到的效果,例如: {

INTM SK=0xfffff fff;//屏蔽所有的向量中断, C/C++代码

__asm//插入一段汇编代码

{

M RS r0,CPS R;//将状态积存器的内容传递到r0

ORR R0,R0,0x000000C0;//通过或运算将r0的第6,7两位置1,其它位不变

M SR CPSR_c,r0;//将r0的低8位送到CPS R的低8位,以屏蔽FIQ中断

}

IN TPND=0xfffff fff;//清除全部中断标志位, C/C++代码

}

因为CPS R是一个物理寄存器,没有存储器的I/O映射,而A RM的C/C++语言使用的是ANSI标准,不像KeilC51那样有诸如sbit和sfr的扩展,所以访问C PS R的唯一方法就是用汇编语言;通过在C/C++代码中插入一段简短的汇编代码,来实现对CPSR的访问。再比如一些波形发生的场合,需要每隔一段精确的时间向端口送数据,那么C/C++代码经编译后产生的指令数是无法预知的,所以无法实现精确定时,因此就要使用在线汇编。

在线汇编通过__asm关键字实现,一般格式为:

……//C/C++代码

__asm

{

指令1;指令2;指令3;……

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指令n;指令n+1;……

……

}　//括号内为汇编代码

……　//　C/C++代码

其中汇编指令的操作数可以是物理寄存器,也可以是C/C++语言的变量、行号和表达式,这点是比纯汇编代码最大的方便之处。其实写在线汇编代码的思路和纯汇编差不多,但要注意在线汇编的几个限制:

(1)不能直接向程序存储器PC赋值实现程序跳转,只能使用B和BL这两条指令;

(2)在线汇编器会使用r0r3,r12r13计算表达式,因此复杂的表达式不能和以上寄存器出现在同一条指令中。比如:

m ov r0,一个复杂的表达式　———汇编器可能报错

m ov r5,一个复杂的表达式　———汇编可以通过;

(3)在线汇编中使用物理寄存器时,如果上下文的C/ C++生成的代码也使用了同一个,则不必在汇编代码中保存和恢复该物理寄存器,C/C++代码会负责处理;

(4)操作数尽量不使用物理寄存器,因为影响代码效率,很有可能编译器为此把一个本应放在寄存器中的变量放在存储器中。就如同在C/C++中定义局部变量哪个是register的,哪个是volatile的,编译器自己的优化才是最佳的。而且使用物理寄存器常会发生错误。比如: m ov r0,#0xaa

m ov r1,x%y

m ov r2,r0

很可能r2的值不是0xaa,因为在计算表达式x%y时会用到r0,将r0的内容冲掉;

(5)可以使用b指令:b标号;实现跳转,标号可以是C/C++的也可以是汇编的;

(6)因为要计算表达式的值,所以一条虚拟指令要被展开为若干条真实指令(如上面的mov r1,x%y),因此实际上对标志为C.N.V.Z的影响是展开后最后一条作用的结果,但如果总的虚拟指令是算术指令,那么能正确设置C.N.V.Z,如果是逻辑指令,那么N.Z是正确的,V不影响,C不可靠;

(7)不支持除NO P之外的其他伪指令(ADR,ADRL, LDR);

(8)不支持BX和B LX指令;

(9)LDM和ST M指令的寄存器列表只允许物理寄存器,不能用变量和表达式;

(10)逗号表达式要用一个括号扩起来,使其为一个整体,如add x,y,(f(),z);

(11)不要干预堆栈。

2　A T PCS规则(AR M-T h um b Produ ce C all Stan dard)

A TPCS体现了一种模块化设计的思想,其基本内容是C/C++模块(代码段)和汇编模块(函数)相互调用的一套规则(很多C/C++编译器都有类似的规则),其具体内容为(不涉及A RM代码和Thum b代码的相互调用)。

2.1　被调用模块的寄存器使用

调用模块和被调用模块通过r0r3传递参数,因此参数少于4个时可以随意使用剩余的寄存器而不必保存和恢复;使用r4r11之前一定要先在堆栈中保存起来,退出时再恢复;可以使用堆栈,但一定要保证堆栈指针(r13)在进入时和退出时相等;r14用于保存返回地址,使用前一定要备份。

2.2　被调用模块的堆栈使用

A TPCS规则规定堆栈是满递减(FD-Full Decrease)型的,因此使用S TM FD/LDM FD指令操作,注意保证进入和退出时堆栈指针相等。

2.3　参数传递

当参数少于4个时,按从左到右的顺序依次放在r0、r1、r2、r3中;

当参数多于4个时,前4个放在r0、r1、r2、r3中,剩余的放在堆栈中,最后一个参数先入栈,第5个参数最后入栈,即从右到左入栈。

2.4　返回值

结果为32位时,通过R0返回;

结果为64位时,r0放低32位,r1放高32位。

3　ATPCS规则的示例代码和分析

以下2个例子均实现6个无符号整数的加法,一个是C/C++主程序调用汇编子程序;另一个是汇编主程序调用C/C++子程序。2个程序都在ADS1.2中调试通过。

3.1　C/C++主程序调用汇编子程序

C/C++主程序:

#define UIN T un signed int

extern UINT add_six(UINT a,UIN T b,UINT c, UIN T d,UINT e,UIN T f);

//声明add_six不是在本模块定义的

int m ain(void)

{

add(1,2,3,4,5,6);

ret urn0;

}

汇编子程序:

area cdo,code,readonly;　段名cdo,代码段

code32;　A RM指令

add_six;　标号

global add_six;　add_six是全局标号

stmfd r13,{r4,r5};　将r4,r5压入堆栈,但r13不变

ldr r4,[r13];　将第5个参数从堆栈中提出

ldr r5,[r13,#4];　将第6个参数从堆栈中提出

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第6期

add r0,r0,r1add r0,r0,r2add r0,r0,r3add r0,r0,r4add r0,r0,r5;　32位结果保存在r0中sub r3,r13,#8ldmfd r3,{r4,r5};　从堆栈中恢复r4,r5

m ov r15,r14;　返回主程序end ;　汇编结束

可以看到C /C ++主程序比较简洁,仅仅是调用外部函数add _six ;而汇编文件是函数add _six 的实现模块,先从堆栈中取出后2个参数放在r4、r5中,然后与放在r0、r1、r2、

r3中的前4个参数相加,最后将结果放在r0中作为返回值。其流程如图1所示。

图1　C /C ++主程序调用汇编子程序流程图

3.2　汇编主程序调用C /C ++子程序

汇编主程序 area main ,c ode ,readonly ;　代码段 entry ;　声明程序入口 code32;　32位A RM 指令 extern add _six ;　声明标号add _six start m ov r13,#0xa000;　初始化堆栈指针 m ov r0,#1 m ov r1,#2 m ov r2,#3

m ov r3,#4;　前4个参数通过寄存器传递 m ov r4,＄5 m ov r5,#6 st mfd r13 ,[r4,r5];　后2个参数通过堆栈传递 bl add _six m ov r1,r0;　调用后结果将放在r1中 end

C /C ++子程序:

#define UIN T unsigned int

UIN T add _six (UIN T a ,UIN T b ,UIN T c ,U INT d ,UIN T e ,UIN T f )

{

return a +b +c +d +e +f ;

}

可以看到C /C ++子程序实现add _six 函数的过程比较简单,而汇编主模块在调用add _six 前要先将前4个参数保存在r0、r1、r2、r3中,后2个参数放在堆栈中,然后再

调用add _six 函数,等函数返回后计算结果从r0中可以得到。其流程如图2所示。

图2　汇编主程序调用C /C ++子程序流程图

4　总　结

本文详细介绍了ADS 集成开发环境所支持的2种混合编程的方法。其中,在线汇编比较简洁,尤其操作数可以是C /C ++语言的变量、行号和表达式,这一点提供了极大方便,但是功能有限,而且规则零碎,不便记忆,适用于需要汇编语句量不是很大的场合,如寄存器操作和实时高速处理数据等;A TPCS 功能强大而且条理清楚,但需要单独再写一个模块(源代码文件),更适合大规模系统的模块化设计。在具体问题中可以根据需要自由选择。

文中所给的2个例子都是主模块调用实现6个无符号数相加子模块,展示了A TPCS 规则的主要内容和具体格式,读者在实际工程中可以参考使用。

参考文献

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航天大学出版社,2004:273-285.

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版社,2003:230-249.

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