嵌入式系统概论第九章

第9章C语言与ARM汇编的混合编程在ARM应用系统开发中，若所有的编程任务均用ARM汇编语言来完成，则其工作量会非常大，并且不利于系统升级和应用软件移植。事实上，ARM体系结构支持C程序和ARM汇编语言的混合编程。在一个完整应用系统的软件实现过程中，除了初始化部分和一些关键代码用ARM汇编语言完成之外，其余大部分的编程任务都可以用C语言来实现。ARM汇编语言与C语言的混合编程通常有以下几种技术：使用内嵌汇编器；从汇编代码中访问C程序全局变量；ARM汇编程序和C程序间的相互调用。目录9.1ATPCS概述9.2使用内嵌汇编器9.3从汇编代码中访问C程序全局变量9.4ARM汇编程序与C程序的互相调用9.5C语言与ARM汇编混合编程的实例习题9.1ATPCS概述ATPCS规定了ARM系统开发过程中子程序之间相互调用的基本规则。ATPCS强制实现的约定是调用者如何传递参数（即压栈方法，以何种方式存放参数），被调用者如何获取参数，以何种方式传递函数返回值。ATPCS是系统相关的，因为它直接涉及到编译器如何使用处理器提供的应用寄存器，如编译器使用什么寄存器作为栈指针，利用哪些寄存器传递参数等等。ATPCS也是应用相关的，因为它会涉及生成代码的大小，调试功能的支持，调用者上下文处理速度以及内存消耗等等。因此，ATPCS的制定实际上是各种指标的一个折衷（tradeoff）。为了适应各种需求不同的应用，ARM制定了基本ATPCS和几种特定的ATPCS。9.1ATPCS概述1.寄存器的使用规则在基本ATPCS中，寄存器的使用必须满足下面的规则：

子程序间通过寄存器R0~R3来传递参数。这时，寄存器R0~R3可以记作A0~A3。被调用的子程序在返回前无须恢复寄存器R0~R3的内容。在子程序中，使用寄存器R4~R11来保存局部变量。这时，寄存器R4~R11可以记为V1~V8。如果一个被调用的子程序中使用了寄存器V1~V8中的某些寄存器，则子程序在进入时必须保存这些寄存器的值，在返回前必须恢复这些寄存器的值。在Thumb程序中，通常只能使用寄存器R4~R7来保存局部变量。寄存器R12用做过程调用中间临时寄存器IP。寄存器R13用做堆栈指针SP。在子程序中寄存器R13不能用做其它用途。寄存器SP在进入子程序时的值和退出子程序的值必须相等。寄存器R14称为链接寄存器LR，它用于保存子程序的返回地址。如果在子程序中保存了返回地址，寄存器R14则可以用做其他用途。寄存器R15为程序计数器PC，不能用做其他用途。

9.1ATPCS概述2.数据栈使用规则栈是一种后进先出的数据结构，是程序运行中必不可少的一种资源。基本ATPCS规定数据栈为FD类型，F表示FULL栈，即栈指针指向栈顶元素（最后一个入栈的数据元素），反之，如果栈指针指向与栈顶元素相邻的一个可用数据单元时，称为EMPTY栈（用E表示）。D表示Descending，即数据栈向内存地址减小的方向增长，反之，称为Ascending（用A表示）。也就是说，在基本ATPCS规定下，入栈的操作是先减栈指针，再写入数据；出栈的操作是先读出数据，再加栈指针。基本ATPCS还规定对数据栈的操作是8字节对齐的，即上述对栈指针的加减操作必须是偶数个字。

9.1ATPCS概述3.参数传递规则根据参数个数是否固定，可以将子程序分为参数个数固定的（nonvariadic）子程序和参数个数可变的（variadic）子程序。ATPCS为这两种子程序规定了不同的参数传递规则。参数个数可变的子程序参数传递规则对于参数个数可变的子程序，当参数不超过4个时，可以使用寄存器R0~R3来传递参数；当参数超过4个时，还可以使用数据栈来传递参数。在传递参数时，将所有参数看做是存放在连续的内存单元中的字数据。然后依次将各名字数据传送到寄存器R0、R1、R2、R3中，如果参数多于4个，将剩余的字数据传送到数据栈中，入栈时低地址优先，即入栈的顺序与参数顺序相反，最后一个字数据先入栈。参数个数固定的子程序参数传递规则参数个数固定的子程序的参数传递规则为：第一个整数参数按序分配给R0~R3寄存器，剩余的参数按序分配给堆栈。9.1ATPCS概述3.参数传递规则子程序结果返回规则：结果为一个32位的整数时，可以通过寄存器R0返回。结果为一个64位整数时，可以通过R0和R1返回，依此类推。结果为一个浮点数时，可以通过浮点运算部件的寄存器f0、d0或者s0来返回。结果为一个复合型的浮点数（如复数）时，可以通过寄存器f0~fN或者d0~dN来返回。对于位数更多的结果，需要通过内存来传递。9.2使用内嵌汇编器内嵌汇编器是指包含在C编器器中的汇编器。使用内嵌汇编器后，就可以在C源程序中直接使用大部分的ARM指令和Thumb指令，从而实现一些用C语言不能直接完成的一些操作，例如访问协处理器和程序状态寄存器PSR等，同时程序的代码效率也比较高。9.2使用内嵌汇编器1.内嵌汇编的语法格式在C程序中嵌入汇编语言，需要相应的C编译器支持。这里主要介绍ARM在ADS中集成的C编译器armcc下的内嵌汇编的用法。当然，GNU的gcc也支持内嵌汇编，若读者需要，可查阅GNU的相关资料。armcc规定在C程序中使用关键词__asm（两个下划线）来标识一段汇编语言程序，其格式如下：__asm{instruction[；instruction]……[instruction]}即，__asm标识的汇编程序需用花括号括住，一行可写多条汇编指令，指令之间用分号隔开。

9.2使用内嵌汇编器2.内嵌汇编指令的用法内嵌汇编指令包括大部分的ARM指令和Thumb指令，但由于它嵌入在C程序中使用，因此在用法上和普通汇编指令有所不同。内嵌汇编指令中作为操作数的寄存器和常量可以是C表达式（包括单个变量），但表达式的结果必须是无符号整数，常量前的符号“#”可以省略。内嵌汇编指令中有些寄存器的使用与标准汇编不同。内嵌汇编指令不支持某些伪操作和伪指令。内嵌汇编器不支持汇编语言中所有用于内存分配的伪操作，也不支持LDR、ADR和ADRL伪指令。内嵌汇编代码中SWI和BL指令的用法与标准汇编。9.3从汇编代码中访问C程序全局变量在ARM汇编代码中只能通过地址间接地访问C程序的全局变量。具体访问方法是先用IMPORT伪操作声明该全局变量，然后用LDR伪指令将该全局变量的地址读到一个寄存器中，最后根据变量类型用相应的LDR指令读取该变量的值，用相应的STR指令修改该变量的值。对无符号变量用以下对应指令：char类型用LDRB/STRB指令；short类型用LDRH/STRH指令；

int类型用LDR/STR指令；注意，这里是指ARMC（armcc编译器），short类型为16位，int类型为32位，与标准C有所不同。对于带符号的变量，则用等价的带符号数操作指令，如LDRSB/LDRSH等。对于小于8个字的结构性变量，可以通过一条LDM/STM指令来读/写整个变量；对于结构变量的数据成员，可以使用相应的LDR/STR指令来访问，但必须知道该结构成员相对于结构变量开始地址的偏移量。9.4ARM汇编程序与C程序的相互调用使用内嵌汇编可以弥补C语言不能直接访问一些硬件资源的不足。但正如前所述，内嵌汇编是一种嵌入在C编译器下的汇编，它本身也有一些限制。比如不支持某些机器指令，不支持大多数伪操作和伪指令，对寄存器的使用也受到一些限制。另外，内嵌汇编器是一种高层次汇编器，它汇编的代码并不总是非常准确，代码效率也没有标准的ARM汇编器（armasm）汇编的代码效率高。还有一种在C程序中使用汇编的方法，就是C程序和ARM汇编程序的相互调用。本节通过一些例子说明C和ARM汇编的相互调用技术。虽然C程序和ARM汇编程序可以互相调用，但在实际应用中更多的是C程序调用ARM汇编程序。9.4ARM汇编程序与C程序的相互调用1.ARM汇编程序调用C程序通过ARM汇编程序调用C程序时，C程序中不能有main函数，只能有被调用的函数，并且函数中必须有返回语句（return）。而作为调用者的汇编程序则必须有ENTRY伪操作，以示汇编程序为主程序，同时需要用IMPORT伪操作声明C程序中需要调用的函数名（不是C程序名）。另外，在汇编程序中调用C函数用BL指令，参数传递严格遵守相应的ATPCS规则。

2.C程序调用ARM汇编程序C程序调用汇编程序时，需要在程序中使用extern关键词声明被调用的汇编程序，在相应的汇编程序中要用EXPORT伪操作声明本程序，使得本程序可以被其他的程序调用，并且在汇编程序中不能有ENTRY伪操作，以免因入口点太多造成连接器连接失败。参数的传递同样遵守相应的ATPCS规则。9.5C语言与ARM汇编混合编程实例

本节以北京博创兴业科技有限公司的UP-CUPS2410试验箱为例，给出一个C语言与ARM汇编语言编程的程序实例。程序很简单，就是点亮LED数码显示管，但是麻雀虽小，五脏俱全。通过这个例子，读者就可以大致了解ARM应用程序的基本结构和开发过程。

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