有時為了高效,有時為了直接控制硬件,有些模塊我們不得不直接用匯編語言來編寫,并且對外提供調用的接口,隱藏細節,這其實就是內聯匯編。如何使用內聯匯編?我們就以 GCC 為例,一窺其中奧秘!
一、關鍵字
如何讓 GCC 知道代碼中內嵌的匯編呢? 借助關鍵字!來看下面的例子:
__asm__ __volatile__("hlt");
__asm__ 表示后面的代碼為內嵌匯編,asm 是 __asm__ 的別名。__volatile__ 表示編譯器不要優化代碼,后面的指令保留原樣,volatile 是它的別名。括號里面是匯編指令。
二、示例分析
使用內嵌匯編,要先編寫匯編指令模板,然后將 C 語言表達式與指令的操作數相關聯,并告訴 GCC 對這些操作有哪些限制條件。示例如下:
__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "m" (input));
movl %1,%0 是指令模板;%0 和 %1 代表指令的操作數,稱為占位符,內嵌匯編靠它們將C 語言表達式與指令操作數相對應。
指令模板后面用小括號括起來的是 C 語言表達式,本例中只有兩個:result 和 input ,他們按照出現的順序分別與指令操作數 %0 、%1 對應;注意對應順序:第一個 C 表達式對應 %0 ;第二個表達式對應 %1 ,依次類推,操作數至多有10 個,分別用 %0, %1 …. %9 表示。
在每個操作數前面有一個用引號括起來的字符串,字符串的內容是對該操作數的限制或者說要求。result 前面的限制字符串是 =r ,其中 = 表示 result 是輸出操作數, r 表示需要將 result 與某個通用寄存器相關聯,先將操作數的值讀入寄存器,然后在指令中使用相應寄存器,而不是 result 本身,當然指令執行完后需要將寄存器中的值存入變量 result ,從表面上看好像是指令直接對 result 進行操作,實際上 GCC 做了隱式處理,這樣我們可以少寫一些指令。 input 前面的 r 表示該表達式需要先放入某個寄存器,然后在指令中使用該寄存器參加運算。
C 表達式或者變量與寄存器的關系由 GCC 自動處理,我們只需使用限制字符串指導 GCC 如何處理即可。限制字符必須與指令對操作數的要求相匹配,否則產生的匯編代碼將會有錯,讀者可以將上例中的兩個 r,都改為 m (m表示操作數放在內存,而不是寄存器中),編譯后得到的結果是:
movl input, result
很明顯這是一條非法指令,因此限制字符串必須與指令對操作數的要求匹配。例如指令 movl 允許寄存器到寄存器,立即數到寄存器等,但是不允許內存到內存的操作,因此兩個操作數不能同時使用 m 作為限定字符。
內嵌匯編語法如下:
__asm__(匯編語句模板: 輸出部分: 輸入部分: 破壞描述部分)
共四個部分:匯編語句模板,輸出部分,輸入部分,破壞描述部分,各部分使用“:”格開,匯編語句模板必不可少,其他三部分可選,如果使用了后面的部分,而前面部分為空,也需要用“:”格開,相應部分內容為空。例如:
__asm__ __volatile__("cli": : :"memory")
具體這幾部分都有什么限制呢?這得從細處著手!
三、語法細節
1、匯編語句模板
匯編語句模板由匯編語句序列組成,語句之間使用“;”、“\n” 或 “\n\t” 分開。指令中的操作數可以使用占位符引用 C 語言變量,操作數占位符最多10 個,名稱如下:%0,%1,…,%9。指令中使用占位符表示的操作數,總被視為 long 型(4個字節),但對其施加的操作根據指令可以是字或者字節,當把操作數當作字或者字節使用時,默認為低字或者低字節。對字節操作可以顯式的指明是低字節還是次字節。方法是在 % 和序號之間插入一個字母,b 代表低字節,h 代表高字節,例如:%h1。
2、輸出部分
輸出部分描述輸出操作數,不同的操作數描述符之間用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和 C 語言變量組成。每個輸出操作數的限定字符串必須包含“=”表示他是一個輸出操作數。 例如:
__asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示對該變量的限制條件,這樣 GCC 就可以根據這些條件決定如何分配寄存器,如何產生必要的代碼處理指令操作數與 C 表達式或 C 變量之間的聯系。
3、輸入部分
輸入部分描述輸入操作數,不同的操作數描述符之間使用逗號格開,每個操作數描述符由限定字符串和 C 語言表達式或者 C 語言變量組成。 示例如下:
例 1 :
__asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));
例 2:
Static __inline__ void __set_bit(int nr, volatile void * addr)
{
__asm__(
"btsl %1,%0"
:"=m" (ADDR)
:"Ir" (nr));
}
后例功能是將 (*addr) 的第 nr 位設為 1。第一個占位符 %0 與 C 語言變量 ADDR 對應,第二個占位符 %1 與 C 語言變量 nr 對應。因此上面的匯編語句代碼與下面的偽代碼等價:btsl nr, ADDR,該指令的兩個操作數不能全是內存變量,因此將 nr 的限定字符串指定為“Ir”,將 nr 與立即數或者寄存器相關聯,這樣兩個操作數中只有 ADDR 為內存變量。
4、限制字符
限制字符有很多種,有些是與特定體系結構相關,此處僅列出常用的限定字符和i386中可能用到的一些常用的限定符。它們的作用是指示編譯器如何處理其后的 C 語言變量與指令操作數之間的關系。
分類
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限定符
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描述
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通用寄存器
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“a”
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將輸入變量放入eax
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“b”
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將輸入變量放入ebx
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“c”
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將輸入變量放入ecx
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“d”
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將輸入變量放入edx
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“s”
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將輸入變量放入esi
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“d”
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將輸入變量放入edi
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“q”
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將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx中的一個
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“r”
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將輸入變量放入通用寄存器,即eax,ebx,ecx,edx,esi,edi之一
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“A”
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把eax和edx合成一個64 位的寄存器(use long longs)
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內存
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“m”
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內存變量
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“o”
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操作數為內存變量,但其尋址方式是偏移量類型, 也即基址尋址
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“V”
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操作數為內存變量,但尋址方式不是偏移量類型
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“ ”
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操作數為內存變量,但尋址方式為自動增量
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“p”
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操作數是一個合法的內存地址(指針)
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寄存器或內存
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“g”
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將輸入變量放入eax,ebx,ecx,edx之一,或作為內存變量
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“X”
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操作數可以是任何類型
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立即數
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“I”
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0-31之間的立即數(用于32位移位指令)
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“J”
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0-63之間的立即數(用于64位移位指令)
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“N”
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0-255之間的立即數(用于out指令)
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“i”
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立即數
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“n”
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立即數,有些系統不支持除字以外的立即數,則應使用“n”而非 “i”
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匹配
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“ 0 ”
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表示用它限制的操作數與某個指定的操作數匹配
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“1” ...
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也即該操作數就是指定的那個操作數,例如“0”
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“9”
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去描述“%1”操作數,那么“%1”引用的其實就是“%0”操作數,注意作為限定符字母的0-9 與指令中的“%0”-“%9”的區別,前者描述操作數, 后者代表操作數。
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&
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該輸出操作數不能使用過和輸入操作數相同的寄存器
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操作數類型
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“=”
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操作數在指令中是只寫的(輸出操作數)
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“+”
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操作數在指令中是讀寫類型的(輸入輸出操作數)
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浮點數
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“f”
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浮點寄存器
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“t”
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第一個浮點寄存器
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“u”
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第二個浮點寄存器
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“G”
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標準的80387浮點常數
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%
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該操作數可以和下一個操作數交換位置,例如addl的兩個操作數可以交換順序(當然兩個操作數都不能是立即數)
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#
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部分注釋,從該字符到其后的逗號之間所有字母被忽略
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*
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表示如果選用寄存器,則其后的字母被忽略
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5、破壞描述部分
破壞描述符用于通知編譯器我們使用了哪些寄存器或內存,由逗號格開的字符串組成,每個字符串描述一種情況,一般是寄存器名;除寄存器外還有 “memory”。例如:“%eax”,“%ebx”,“memory” 等。