基于gcc将C语言变量与指令操作数相关联

有时候我们希望在C/C++代码中使用嵌入式汇编，因为C中没有对应的函数或语法可用。比如我最近在ARM上写FIR程序时，需要对最后的结果进行饱和处理，但gcc没有提供ssat这样的函数，于是不得不在C代码中嵌入汇编指令。

1. 入门

在C中嵌入汇编的最大问题是如何将C语言变量与指令操作数相关联。当然，gcc都帮我们想好了。下面是是一个简单例子。

asm(“fsinx %1, %0”:”=f”(result):”f”(angle));

这里我们不需要关注fsinx指令是干啥的；只需要知道这条指令需要两个浮点寄存器作为操作数。作为专职处理C语言的gcc编译器，它是没办法知道fsinx这条汇编指令需要什么样的操作数的，这就要求程序猿告知gcc相关信息，方法就是指令后面的”=f”和”f”，表示这是两个浮点寄存器操作数。这被称为操作数规则（constraint）。规则前面加上”=”表示这是一个输出操作数，否则是输入操作数。constraint后面括号内的是与该寄存器关联的变量。这样gcc就知道如何将这条嵌入式汇编语句转成实际的汇编指令了：

fsinx：汇编指令名

%1, %0：汇编指令操作数

“=f”(result)：操作数%0是一个浮点寄存器，与变量result关联（对输出操作数，“关联”的意思就是说gcc执行完这条汇编指令后会把寄存器%0的内容送到变量result中）

“f”(angle)：操作数%1是一个浮点寄存器，与变量angle关联（对输入操作数，“关联”的意思是就是说gcc执行这条汇编指令前会先将变量angle的值读取到寄存器%1中）

因此这条嵌入式汇编会转换为至少三条汇编指令（非优化）：

将angle变量的值加载到寄存器%1

fsinx汇编指令，源寄存器%1，目标寄存器%0

将寄存器%0的值存储到变量result

当然，在高优化级别下上面的叙述可能不适用；比如源操作数可能本来就已经在某个浮点寄存器中了。

这里我们也看到constraint前加”=”符号的意义：gcc需要知道这个操作数是在执行嵌入汇编前从变量加载到寄存器，还是在执行后从寄存器存储到变量中。

常用的constraints有以下几个（更多细节参见gcc手册）：

m 内存操作数

r 寄存器操作数

i 立即数操作数（整数）

f 浮点寄存器操作数

F 立即数操作数（浮点）

从这个栗子也可以看出嵌入式汇编的基本格式：

asm(“汇编指令”:”=输出操作数规则”(关联变量):”输入操作数规则”(关联变量));

输出操作数必须为左值；这个显然。

2. 多个操作数，或没有输出操作数

如果某个指令有多个输入或输出操作数怎么办？例如arm有很多指令是三操作数指令。这个时候用逗号分隔多个规则：

asm(“add %0, %1, %2”:”=r”(sum):”r”(a), “r”(b));

每条操作数规则按顺序对应操作数%0, %1, %2。

对于没有输出操作数的情况，在汇编指令后就没有输出规则，于是就出现两个连续冒号，后跟输入规则。

3. 输入-输出（或读-写）操作数

有时候一个操作数既是输入又是输出，比如x86下的这条指令：

add %eax, %ebx

注意指令使用AT&T格式而不是Intel格式。寄存器ebx同时作为输入操作数和输出操作数。对这样的操作数，在规则前使用”+”字符：

asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b));

对应C语言语句a=a+b。

注意这样的操作数不能使用”=”符号，因为gcc看到”=”符号会认为这是一个单输出操作数，于是在将嵌入汇编转换为真正汇编的时候就不会预先将变量a的值加载到寄存器%0中。

另一个办法是将读-写操作数在逻辑上拆分为两个操作数：

asm(“add %2, %0” : “=r”(a) : “0”(a), “r”(b));

对“逻辑”输入操作数1指定数字规则”0”，表示这个逻辑操作数占用和操作数0一样的“位置”（占用同一个寄存器）。这种方法的特点是可以将两个“逻辑”操作数关联到两个不同的C语言变量上：

asm("add %2, %0" : "=r"(c) : "0"(a), "r"(b));

对应于C程序语句c=a+b。

数字规则仅能用于输入操作数，且必须引用到输出操作数。拿上例来说，数字规则”0”位于输入规则段，且引用到输出操作数0，该数字规则自身占用操作数计数1。

这里要注意，通过同名C语言变量是无法保证两个操作数占用同一“位置”的。比如下面这样的写法是不行的:

（错误写法）asm(“add %2, %0”:”=r”(a):”r”(a), “r”(b));

4. 指定寄存器

有时候我们需要在指令中使用指定的寄存器；典型的栗子是系统调用，必须将系统调用码和参数放在指定寄存器中。为了达到这个目的，我们要在声明变量时使用扩展语法：

register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1

register int b asm(“%ebx”) = 2; // statement 2

asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b)); // statement 3

注意只有在执行汇编指令时能确定a在eax中，b在ebx中，其他时候a和b的存放位置是不可知的。

另外，在这么用的时候要注意，防止statement 2在执行时覆盖了eax。例如statement 2改成下面这句：

register int b asm(“%ebx”) = func();

函数调用约定会将func()的返回值放在eax里，于是破坏了statement 1对a的赋值。这个时候可以先用一条语句将func返回值放在临时变量里：

int t = func();

register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1

register int b asm(“%ebx”) = t; // statement 2

asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b)); // statement 3

5. 隐式改变寄存器

有的汇编指令会隐含修改一些不在指令操作数中的寄存器，为了让gcc知道这个情况，将隐式改变寄存器规则列在输入规则之后。下面是VAX机上的栗子：

asm volatile(“movc3 %0,%1,%2”

: /* no outputs */

:”g”(from),”g”(to),”g”(count)

:”r0”,”r1”,”r2”,”r3”,”r4”,”r5”);

（movc3是一条字符块移动（Move characters）指令）

这里要注意的是输入/输出规则中列出的寄存器不能和隐含改变规则中的寄存器有交叉。比如在上面的栗子里，规则“g”中就不能包含r0-r5。以指定寄存器语法声明的变量，所占用的寄存器也不能和隐含改变规则有交叉。这个应该好理解：隐含改变规则是告诉gcc有额外的寄存器需要照顾，自然不能和输入/输出寄存器有交集。

另外，如果你在指令里显式指定某个寄存器，那么这个寄存器也必须列在隐式改变规则之中（有点绕了哈）。上面我们说过gcc自身是不了解汇编指令的，所以你在指令中显式指定的寄存器，对gcc来说是隐式的，因此必须包含在隐式规则之中。另外，指令中的显式寄存器前需要一个额外的%，比如%%eax。

6. volatile

asm volatile通知gcc你的汇编指令有side effect，千万不要给优化没了，比如上面的栗子。

如果你的指令只是做些计算，那么不需要volatile，让gcc可以优化它；除此以外，无脑给每个asm加上volatile或者是个好办法。