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1、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,9.1 ATPCS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 9.4
2、ARM汇编程序与C程序的互相调用 9.5 C语言与ARM汇编混合编程的实例 习题,9.1 ATPCS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（
3、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。,9.1 ATPCS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R0R3来传递参数。这时，寄存器R0R3可以记作A0A3。被调用的子程序在返回前无须恢复寄存器R0R3的内容。 在子程序中，使用寄存器R4R11来保存局部变量。这时，寄存器R4R11可以记为V1V8。如果一个被调用的子程序中使用了寄存器V1V8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R4R7来
4、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。,9.1 ATPCS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
5、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。,9.1 ATPCS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
6、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R0R3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R0R3寄存器，剩余的参数按序分配给堆栈。,9.1 ATPCS概述,3. 参数传递规则 子程序结果返回规则： 结果为一个
7、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f0fN或者d0dN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
8、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，
9、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
10、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ARM C（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
11、始地址的偏移量。,9.4 ARM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
12、ARM汇编程序。,9.4 ARM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，
13、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。,9.5 C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-CUP S2410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。 1. 安装UArmJtag 2. 建立工程 3. 编译链接工程 4. 调试程序,本章习题,1为什么需要C语言与ARM汇编的混合编程？ARM如何支持这种混合编程？ 2什么是ATPCS？它包括哪些基本规则？ 3内迁ARM汇编指令与普通ARM汇编指令一样吗？主要的区别是什么？ 4如何确定在应用程序中没有使用semihosting功能？ 5在机器上编译运行4.5节给出的例子，熟悉ARM应用程序的基本结构。,
