ARM C、汇编混合编程

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在嵌入式系统开发中,目前使用的主要编程语言是C和汇编,C++已经有相应的编译器,但是现在使用还是比较少的。在稍大规模的嵌入式软件中,示例含有OS,大部分的代码都是用C编写的,主要是因为C语言的结构比较好,便于人的理解,而且有大量的支持库。

       尽管如此,很多地方还是要用到汇编语言,示例开机时硬件系统的初始化,包括CPU状态的设定,中断的使能,主频的设定,以及RAM的控制参数及初始化,一些中断处理方面也可能涉及汇编另外一个使用汇编的地方就是一些对性能非常敏感的代码块,这是不能依靠C编译器的生成代码,而要手工编写汇编,达到优化的目的。而且,汇编语言是和CPU的指令集紧密相连的,作为涉及底层的嵌入式系统开发,熟练对应汇编语言的使用也是必须的。

       单纯的C或者汇编编程请参考相关的书籍或者手册,这里主要讨论C和汇编的混合编程,包括相互之间的函数调用。下面分四种情况来进行讨论,暂不涉及C++。

       1. 在C语言中内嵌汇编

       在C中内嵌的汇编指令包含大部分的ARM和Thumb指令,不过其使用与汇编文件中的指令有些不同,存在一些限制,主要有下面几个方面:

       a. 不能直接向PC寄存器赋值,程序跳转要使用B或者BL指令

       b. 在使用物理寄存器时,不要使用过于复杂的C表达式,避免物理寄存器冲突

       c. R12和R13可能被编译器用来存放中间编译结果,计算表达式值时可能将R0到R3、R12及R14用于子程序调用,因此要避免直接使用这些物理寄存器

       d. 一般不要直接指定物理寄存器,而让编译器进行分配

       内嵌汇编使用的标记是 __asm或者asm关键字,用法如下:

__asm

{

instruction [; instruction]

[instruction]

}


asm(“instruction [; instruction]”);

       下面通过一个例子来说明如何在C中内嵌汇编语言,

#include <stdio.h>

void my_strcpy(const char *src, char *dest)

{

char ch;

__asm

{

loop:

ldrb ch, [src], #1

strb ch, [dest], #1

cmp ch, #0

bne loop

}

}

int main()

{

char *a = "forget it and move on!";

char b[64];

my_strcpy(a, b);

printf("original: %s", a);

printf("copyed: %s", b);

return 0;

}

  在这里C和汇编之间的值传递是用C的指针来实现的,因为指针对应的是地址,所以汇编中也可以访问。

 

       2. 在汇编中使用C定义的全局变量

       内嵌汇编不用单独编辑汇编语言文件,比较简洁,但是有诸多限制,当汇编的代码较多时一般放在单独的汇编文件中。这时就需要在汇编和C之间进行一些数据的传递,最简便的办法就是使用全局变量。

/* cfile.c

* 定义全局变量,并作为主调程序

*/

#include <stdio.h>

int gVar_1 = 12;

extern asmDouble(void);

int main()

{

printf("original value of gVar_1 is: %d", gVar_1);

asmDouble();

printf("modified value of gVar_1 is: %d", gVar_1);

return 0;

}

       对应的汇编语言文件

;called by main(in C),to double an integer, a global var defined in C is used.

AREA asmfile, CODE, READONLY

EXPORT asmDouble

IMPORT gVar_1

asmDouble

ldr r0, =gVar_1

ldr r1, [r0]

mov r2, #2

mul r3, r1, r2

str r3, [r0]

mov pc, lr

END

 

       3. 在C中调用汇编的函数

       在C中调用汇编文件中的函数,要做的主要工作有两个,一是在C中声明函数原型,并加extern关键字;二是在汇编中用EXPORT导出函数名,并用该函数名作为汇编代码段的标识,最后用mov pc,lr返回。然后,就可以在C中使用该函数了。从C的角度,并不知道该函数的实现是用C还是汇编。更深的原因是因为C的函数名起到表明函数代码起始地址的左右,这个和汇编的label是一致的。

/* cfile.c

* in C,call an asm function, asm_strcpy

* Sep 9, 2004

*/

#include <stdio.h>

extern void asm_strcpy(const char *src, char *dest);

int main()

{

const char *s = "seasons in the sun";

char d[32];

asm_strcpy(s, d);

printf("source: %s", s);

printf(" destination: %s",d);

return 0;

}

;asm function implementation

AREA asmfile, CODE, READONLY

EXPORT asm_strcpy

asm_strcpy

loop

ldrb r4, [r0], #1 ;address increment after read

cmp r4, #0

beq over

strb r4, [r1], #1

b loop

over

mov pc, lr

END

  在这里,C和汇编之间的参数传递是通过ATPCS(ARM Thumb Procedure Call Standard)的规定来进行的。简单的说就是如果函数有不多于四个参数,对应的用R0-R3来进行传递,多于4个时借助栈。函数的返回值通过R0来返回。

 

       4. 在汇编中调用C的函数

       在汇编中调用C的函数,需要在汇编中IMPORT 对应的C函数名,然后将C的代码放在一个独立的C文件中进行编译,剩下的工作由连接器来处理。

;the details of parameters transfer comes from ATPCS

;if there are more than 4 args, stack will be used

EXPORT asmfile

AREA asmfile, CODE, READONLY

IMPORT cFun

ENTRY

mov r0, #11

mov r1, #22

mov r2, #33

BL cFun

END

/*C file, called by asmfile */

int cFun(int a, int b, int c)

{

return a + b + c;

}

  在汇编中调用C的函数,参数的传递也是通过ATPCS来实现的。需要指出的是当函数的参数个数大于4时,要借助stack,具体见ATPCS规范。

 

 

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《深入浅出》中写到:用户模式不能直接切换到其他模式,只能通过SWI进入特权模式。
  当运行在用户模式时,企图通过调用IRQ开关函数来控制中断的开关,但是没有成功。程序如下:
     void IRQ_En( void )
{
    unsigned int temp;
    
    __asm
    {
        MRS  temp, CPSR        
        BIC  temp, temp, #0x80        
        MSR  CPSR_c, temp
    }
}
  跟踪发现当执行到MSR  CPSR_c, temp时,CPSR_c的内容并不改变。书上只是说不能改变模式,并没有说不可以改变其他标志位。是不是CPSR_c是作为一个整体,在用户模式下不能被修改?
  如果在其他模式下,示例系统模式,运用上面的函数可以正常开启IRQ中断。

 

==》》

1、    首先,请明确:ARM处理器具有七种模式,按权限来区别,有用户模式和特权模式之分,而CPSR为七种模式共用的状态寄存器,由ARM内核来监视它与控制内部操作的。顾名思义,除了6种特权模式,在用户模式下用户程序是没有权限来修改CPSR的相关控制位,即I、F、T和模式设置位的。
2、    而一般情况下,程序是运行在用户模式下的。如果发生了软中断,即SWI中断,则将进入对应的管理模式(特权模式)。此时,才可以进行控制位的修改。
3、    此外,CPSR_c表示状态寄存器的控制位域。系统模式虽然与用户模式共用一套寄存器,但它属于特权模式,因此可以进行CPSR_c控制位的修改,进行正常开户IRQ中断。

 

 

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可执行映象文件的格式: *.axm、 *.bin、 *.elf、 *.hex

 

在C/C++程序中使用内嵌的汇编指令的语法格式

      在ARM C语言程序中,使用关键字__asm来标识一段汇编指令程序。

              __asm      ;2 个下划线

              {

                  汇编语言程序

                  ~~~~~~~~

                  汇编语言程序

              }

其中:如果一行中有多个汇编指令,指令之间使用分号(;)分开。 在一条指令占多行,要使用续行符号(/).

在C/C++程序中内嵌汇编指令注意事项:

o      必须小心使用物理寄存器,如R0~R3、SP、LR 和CPSR 中的N,Z,C,V 标志位。因为“计算汇编代码中的C 表达式时”,可能会使用这些物理寄存器,并会修改N,Z,C,V标志位。

              __asm

              {

               MOV R0,x

               ADD y,R0,x/y  //计算x/y 时R0 会被修改

              }

       在计算x/y 时R0 会被修改,从而影响R0+x/y 的结果.用一个C 程序的变量代替R0就可以解决这个问题:

              __asm

             {

              MOV var,x

              ADD y,var,x/y

             }

       内嵌汇编器探测到隐含的寄存器冲突就会报错.

o      不要使用寄存器代替变量。尽管有时寄存器明显对应某个变量,但也不能直接使用寄存器代替变量

              int bad_f(int x) //x 存放在R0 中

              {

                     __asm

                  {

                    ADD R0,R0,#1  //发生寄存器冲突,实际上x 的值没有变化

                  }

                  return(x);

              }

         尽管根据编译器的编译规则似乎可以确定R0 对应x,但这样的代码会使内嵌汇编器认为发生了寄存器冲突。用其他寄存器代替R0 存放参数x,使得该函数将x 原封不动地返回。

          这段代码的正确写法如下:

              int bad_f(intx)

                {

                     __asm

                 {

                    ADD x,x,#1

                  }

                  return(x)

              }

 

 

从汇编程序中访问C程序变量

在C程序中声明的全局变量可以被汇编程序“通过地址间接访问”。具体访问方法如下:

o      使用IMPORT伪指令声明这个全局变量。

o      使用LDR指令读取该全局变量的内存地址,通常该全局变量的内存地址存放在程序的数据缓冲池中。

o      根据该数据类型,使用相应的LDR指令读取该全局变量的值;使用相应的STR指令修改该全局变量的值。

              AREA  globals,CODE,READONLY

              EXPORT asmsub

              IMPORT  glovbvar;声明外部变量glovbvar

       asmsub

              LDR R1,=glovbvar;装载变量地址

              LDR R0,[R1] ;读出数据

              ADD R0,R0,#1;加1 操作

              STR R0,[R1];保存变量值

              MOV PC, LR

              END

 

 

C程序与汇编程序互相调用规则

寄存器的使用规则:“子程序间”通过寄存器R0~R3来传递参数。在“子程序中”,使用寄存器R4~R11来保存局部变量。

  1. 寄存器R12用于子程序间scratch寄存器(用于保存SP,在函数返回时使用该寄存器出桟),记作IP。
  2. 寄存器R13用于数据栈指针,记作SP寄存器SP在进入子程序时的值和退出子程序时的值必须相等。 
  3. 寄存器R14称为链接寄存器,记作LR。它用于保存子程序的返回地址。
  4. 寄存器R15是程序计数器,记作PC

 

 

*.axf (下载到sdram 里面调试(AXD))  

ARM fromelf(转化)   ---->    *.bin、*.elf、*.hex、*.i32 烧写到flash里面保存 。

  

1.       将映象文件(*.axf)下载到SDRAM内调试,工具为JTAG 板 或者仿真器.

RO BASE: 设置SDRAM内的地址,可以设置SDRAM 的首地址,或者是靠近首地址值的地址值,RO BASE的值一定要按照字对齐.

RW BASE: 也可以不设置,如果要设置,RW BASE –RO BASE >映象文件的大下最好不设置, 值一定要按照字对齐.

 

2.       将映象文件(*.bin *.hex) 烧写到nor flash 内

RO BASE: 设置flash 首地址(0x00000000), 值一定要按照字对齐.

RW BASE: 一定要设置,设置的地址值在SD RAM 内, 值一定要按照字对齐.

IMAGE ENTRY POINT: 可以不设置,如果设置就和RO BASE的值.

PLACE AT BEGINNING OF IMAGE:Object/Symbol:填写映象文件中,第一个要执行的源文件的目标文件.

(异常中断的跳转函数)