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东月之神

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(转)GCC内嵌汇编(三)  

2012-04-13 10:25:45|  分类: Linux |  标签: |举报 |字号 订阅

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接下来是GCC内嵌汇编最后一部分了,  可能看起来讲的先后顺序有些乱,但是个人习惯吧,前面如果有些地方不明白的,看了后面的应该就清楚了。如果还是有疑惑的话,自己组织下内容效果更佳。

匹配限制符

I386 指令集中许多指令的操作数是读写型的(读写型操作数指先读取原来的值然后参加运算,最后将结果写回操作数) ,例如 addl %1,%0,它的作用是将操作数%0 与操作数%1的和存入操作数%0,因此操作数%0 是读写型操作数。老版本的 GCC 对这种类型操作数的支持不是很好,它将操作数严格分为输入和输出两种,分别放在输入部分和输出部分,而没有一个单独部分描述读写型操作数, 因此在 GCC 中读写型的操作数需要在输入和输出部分分别描述,靠匹配限制符将两者关联到一起。注意仅在输入和输出部分使用相同的 C变量,但是不用匹配限制符,产生的代码很可能不对,后面会分析原因。

匹配限制符是一位数字: “0”、“1”……“9” ,分别表示它限制的 C 表达式分别与占位符%0,%1……%9对应的C变量匹配。例如使用“0”作为%1的限制字符,那么%0和%1表示同一个 C变量。

看一下下面的代码就知道为什么要将读写型操作数,分别在输入和输出部分加以描述。 

该例功能是求 input+result的和,然后存入result:

extern int input,result;

 

void test_at_t()

{

  result = 0;

  input = 1;

  __asm__ __volatile__ ("addl %1,%0":"=r"(result): "r"(input));

 

}

对应的汇编代码为:

  movl $0,_result

  movl $1,_input

  movl _input,%edx

/APP

  addl %edx,%eax

/NO_APP

  movl %eax,%edx

  movl %edx,_result

 

input为输入型变量,而且需要放在寄存器中,GCC 给它分配的寄存器是%edx,在执行addl之前%edx的内容已经是input 的值。 可见对于使用 “r” 限制的输入型变量或者表达式,在使用之前GCC会插入必要的代码将他们的值读到寄存器;“m”型变量则不需要这一步。读入input后执行addl,显然%eax的值不对,需要先读入result的值才行。再往后看:movl %eax,%edx 和movl %edx,_result的作用是将结果存回 result,分配给 result的寄存器与分配给 input的一样,都是%edx。

 综上可以总结出如下几点:

1.  使用“r”限制的输入变量,GCC 先分配一个寄存器,然后将值读入寄存器,最后用该寄存器替换占位符;

2.  使用“r”限制的输出变量,GCC会分配一个寄存器,然后用该寄存器替换占位符,但是在使用该寄存器之前并不将变量值先读入寄存器,GCC认为所有输出变量以前的值都没有用处,不读入寄存器 (可能是因为 AT&T汇编源于 CISC架构处理器的汇编语言,在 CISC处理器中大部分指令的输入输出明显分开,而不像RISC那样一个操作数既做输入又做输出,例如 add r0,r1,r2,r0 和 r1 是输入,r2 是输出,输入和输出分开,没有使用输入输出型操作数,这样我们就可以认为 r2 对应的操作数原来的值没有用处,也就没有必要先将操作数的值读入 r2,因为这是浪费处理器的CPU周期) ,最后 GCC插入代码,将寄存器的值写回变量;

3.  输入变量使用的寄存器在最后一处使用它的指令之后,就可以挪做其他用处,因为已经不再使用。例如上例中的%edx。在执行完addl之后就作为与result对应的寄存器。

 

因为第二条,上面的内嵌汇编指令不能奏效,因此需要在执行 addl之前把result的值读入寄存器,也许再将 result放入输入部分就可以了(因为第一条会保证将result先读入寄存器) 。修改后的指令如下(为了更容易说明问题将 input限制符由“r”改为“m”) :

extern int input,result;

void test_at_t()

{

  result = 0;

  input = 1;

  __asm__ __volatile__ ("addl %2,%0":"=r"(result):"r"(result),"m"(input));

}

看上去上面的代码可以正常工作,因为我们知道%0和%1都和result相关,应该使用同一个寄存器,但是 GCC并不去判断%0 和%1 是否和同一个 C 表达式或变量相关联(这样易于产生与内嵌汇编相应的汇编代码) ,因此%0和%1使用的寄存器可能不同。我们看一下汇编代

码就知道了。

  movl $0,_result

  movl $1,_input

  movl _result,%edx

/APP

  addl _input,%eax

/NO_APP

  movl %eax,%edx

  movl %edx,_result

现在在执行 addl之前将 result的值被读入了寄存器%edx,但是addl 指令的操作数%0却成了%eax,而不是%edx,与预料的不同,这是因为GCC给输出和输入部分的变量分配了不同的寄存器,GCC没有去判断两者是否都与 result相关,后面会讲GCC 如何翻译内嵌汇编,看完之后就不会惊奇啦。

使用匹配限制符后,GCC知道应将对应的操作数放在同一个位置(同一个寄存器或者同一个内存变量) 。使用匹配限制字符的代码如下:

extern int input,result;

 

void test_at_t()

{

  result = 0;

  input = 1;

  __asm__ __volatile__ ("addl %2,%0":"=r"(result):"0"(result),"m"(input));

}

输入部分中的 result用匹配限制符“0”限制,表示%1与%0代表同一个变量,输入部分说明该变量的输入功能,输出部分说明该变量的输出功能,两者结合表示 result 是读写型。因为%0和%1表示同一个 C变量,所以放在相同的位置,无论是寄存器还是内存。

相应的汇编代码为:

  movl $0,_result

  movl $1,_input

  movl _result,%edx

  movl %edx,%eax

/APP

  addl _input,%eax

/NO_APP

  movl %eax,%edx

  movl %edx,_result

 

可以看到与result相关的寄存器是%edx,在执行指令 addl之前先从%edx将result读入%eax, 执行之后需要将结果从%eax读入%edx, 最后存入result中。 这里我们可以看出GCC处理内嵌汇编中输出操作数的一点点信息:addl 并没有使用%edx,可见它不是简单的用result 对应的寄存器%edx 去替换%0,而是先分配一个寄存器,执行运算,最后才将运算结果存入对应的变量,因此GCC是先看该占位符对应的变量的限制符,发现是一个输出型寄存器变量,就为它分配一个寄存器,此时没有去管对应的C变量,最后GCC知道还要将寄存器的值写回变量,与此同时,它发现该变量与%edx关联,因此先存入%edx,再存入变量。

至此读者应该明白了匹配限制符的意义和用法。在新版本的 GCC中增加了一个限制字符

“+” ,它表示操作数是读写型的,GCC知道应将变量值先读入寄存器,然后计算,最后写回

变量,而无需在输入部分再去描述该变量。

例;

extern int input,result;

 void test_at_t()

{

  result = 0;

  input = 1;

  __asm__ __volatile__ ("addl %1,%0":"+r"(result):"m"(input));

}

此处用“+”替换了“=” ,而且去掉了输入部分关于result的描述,产生的汇编代码如

下:

  movl $0,_result

  movl $1,_input

  movl _result,%eax

/APP

  addl _input,%eax

/NO_APP

  movl %eax,_result

L2:

  movl %ebp,%esp

处理的比使用匹配限制符的情况还要好,省去了好几条汇编代码。

  “&”限制符

限制符“&”在内核中使用的比较多,它表示输入和输出操作数不能使用相同的寄存器,这样可以避免很多错误。

举一个例子,下面代码的作用是将函数foo的返回值存入变量 ret中: __asm__ ( “call foo;movl %%edx,%1”,  :  ”=a”(ret)  :  ”r”(bar) );

我们知道函数的 int 型返回值存放在%eax 中,但是 gcc 编译的结果是输入和输出同时使用了寄存器%eax,如下:

  movl bar, %eax

   #APP

               call foo

               movl %ebx,%eax                

     #NO_APP

               movl %eax, ret 

结果显然不对,原因是 GCC 并不知道%eax 中的值是我们所要的。避免这种情况的方法是使用“&”限定符,这样 bar就不会再使用%eax寄存器,因为已被 ret指定使用。 _asm__ ( “call foo;movl %%edx,%1”,  :  ”=&a”(ret)  :  ”r”(bar) );

2.4版内核中cli和 sti的代码如下:

#define __cli()     __asm__ __volatile__("cli": : :"memory")

#define __sti()     __asm__ __volatile__("sti": : :"memory")

通过上面的例子,读者应该知道,为什么指令没有修改内存,但是却使用“memory”修改描述符的原因了吧。应从指令的上下文去理解为什么要这样做。

使用“volatile”也可以达到这个目的,但是我们在每个变量前增加该关键字,不如使用“memory”方便。

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