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__asm__ __volatile__ GCC的内嵌汇编语法

yjzl1911 分享于 2010-05-31

推荐:__asm__ __volatile__ GCC的内嵌汇编语法 AT&T汇编语言语法

这篇帖子由于没署作者名,所以我转的时候也没怎么署,但还是谢谢了。 AT&T ASM Syntax 1 Overview 开发一个OS,尽管绝大部分代码只需要用C/C++等高级语言就可以

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__asm__是GCC关键字asm的宏定义:

#define __asm__ asm

__asm__或asm用来声明一个内联汇编表达式,所以任何一个内联汇编表达式都是以它开头的,是必不可少的。

2、Instruction List

Instruction List是汇编指令序列。它可以是空的,比如:__asm__ __volatile__(""); 或__asm__ ("");都是完全合法的内联汇编表达式,只不过这两条语句没有什么意义。但并非所有Instruction List为空的内联汇编表达式都是没有意义的,比如:__asm__ ("":::"memory"); 就非常有意义,它向GCC声明:“我对内存作了改动”,GCC在编译的时候,会将此因素考虑进去。

我们看一看下面这个例子:

$ cat example1.c

int main(int __argc, char* __argv[]) 

int* __p = (int*)__argc; 

(*__p) = 9999; 

//__asm__("":::"memory"); 

if((*__p) == 9999) 
return 5; 

return (*__p); 
}

在 这段代码中,那条内联汇编是被注释掉的。在这条内联汇编之前,内存指针__p所指向的内存被赋值为9999,随即在内联汇编之后,一条if语句判断__p 所指向的内存与9999是否相等。很明显,它们是相等的。GCC在优化编译的时候能够很聪明的发现这一点。我们使用下面的命令行对其进行编译:

$ gcc -O -S example1.c

选项-O表示优化编译,我们还可以指定优化等级,比如-O2表示优化等级为2;选项-S表示将C/C++源文件编译为汇编文件,文件名和C/C++文件一样,只不过扩展名由.c变为.s。

我们来查看一下被放在example1.s中的编译结果,我们这里仅仅列出了使用gcc 2.96在redhat 7.3上编译后的相关函数部分汇编代码。为了保持清晰性,无关的其它代码未被列出。

$ cat example1.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
movl 8(%ebp), %eax # int* __p = (int*)__argc
movl $9999, (%eax) # (*__p) = 9999 
movl $5, %eax # return 5
popl %ebp 
ret

参 照一下C源码和编译出的汇编代码,我们会发现汇编代码中,没有if语句相关的代码,而是在赋值语句(*__p)=9999后直接return 5;这是因为GCC认为在(*__p)被赋值之后,在if语句之前没有任何改变(*__p)内容的操作,所以那条if语句的判断条件(*__p) == 9999肯定是为true的,所以GCC就不再生成相关代码,而是直接根据为true的条件生成return 5的汇编代码(GCC使用eax作为保存返回值的寄存器)。

我们现在将example1.c中内联汇编的注释去掉,重新编译,然后看一下相关的编译结果。

$ gcc -O -S example1.c

$ cat example1.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
movl 8(%ebp), %eax # int* __p = (int*)__argc
movl $9999, (%eax) # (*__p) = 9999
#APP 

# __asm__("":::"memory")
#NO_APP
cmpl $9999, (%eax) # (*__p) == 9999 ?
jne .L3 # false 
movl $5, %eax # true, return 5 
jmp .L2 
.p2align 2 
.L3: 
movl (%eax), %eax 
.L2: 
popl %ebp 
ret

由于内联汇编语句__asm__("":::"memory")向GCC声明,在此内联汇编语句出现的位置内存内容可能了改变,所以GCC在编译时就不能像刚才那样处理。这次,GCC老老实实的将if语句生成了汇编代码。

可能有人会质疑:为什么要使用__asm__("":::"memory")向GCC声明内存发生了变化?明明“Instruction List”是空的,没有任何对内存的操作,这样做只会增加GCC生成汇编代码的数量。

确 实,那条内联汇编语句没有对内存作任何操作,事实上它确实什么都没有做。但影响内存内容的不仅仅是你当前正在运行的程序。比如,如果你现在正在操作的内存 是一块内存映射,映射的内容是外围I/O设备寄存器。那么操作这块内存的就不仅仅是当前的程序,I/O设备也会去操作这块内存。既然两者都会去操作同一块 内存,那么任何一方在任何时候都不能对这块内存的内容想当然。所以当你使用高级语言C/C++写这类程序的时候,你必须让编译器也能够明白这一点,毕竟高 级语言最终要被编译为汇编代码。 你可能已经注意到了,这次输出的汇编结果中,有两个符号:#APP和#NO_APP,GCC将内联汇编语 句中"Instruction List"所列出的指令放在#APP和#NO_APP之间,由于__asm__("":::"memory")中“Instruction List”为空,所以#APP和#NO_APP中间也没有任何内容。但我们以后的例子会更加清楚的表现这一点。

关于为什么内联汇编__asm__("":::"memory")是一条声明内存改变的语句,我们后面会详细讨论。

刚才我们花了大量的内容来讨论"Instruction List"为空是的情况,但在实际的编程中,"Instruction List"绝大多数情况下都不是空的。它可以有1条或任意多条汇编指令。

当 在"Instruction List"中有多条指令的时候,你可以在一对引号中列出全部指令,也可以将一条或几条指令放在一对引号中,所有指令放在多对引号中。如果是前者,你可以将 每一条指令放在一行,如果要将多条指令放在一行,则必须用分号(;)或换行符(/n,大多数情况下/n后还要跟一个/t,其中/n是为了换行,/t是为了 空出一个tab宽度的空格)将它们分开。比如:

__asm__("movl %eax, %ebx 
sti 
popl %edi 
subl %ecx, %ebx"); 

__asm__("movl %eax, %ebx; sti 
popl %edi; subl %ecx, %ebx");

__asm__("movl %eax, %ebx; sti/n/t popl %edi
subl %ecx, %ebx");

都是合法的写法。如果你将指令放在多对引号中,则除了最后一对引号之外,前面的所有引号里的最后一条指令之后都要有一个分号(;)或(/n)或(/n/t)。比如:

__asm__("movl %eax, %ebx 
sti/n" 
"popl %edi;" 
"subl %ecx, %ebx"); 

__asm__("movl %eax, %ebx; sti/n/t" 
"popl %edi; subl %ecx, %ebx");

__asm__("movl %eax, %ebx; sti/n/t popl %edi/n"
"subl %ecx, %ebx");

__asm__("movl %eax, %ebx; sti/n/t popl %edi;" "subl %ecx, %ebx");

都是合法的。

上述原则可以归结为:

任意两个指令间要么被分号(;)分开,要么被放在两行; 
放在两行的方法既可以从通过/n的方法来实现,也可以真正的放在两行; 
可以使用1对或多对引号,每1对引号里可以放任一多条指令,所有的指令都要被放到引号中。
在基本内联汇编中,“Instruction List”的书写的格式和你直接在汇编文件中写非内联汇编没有什么不同,你可以在其中定义Label,定义对齐(.align n ),定义段(.section name )。例如:

__asm__(".align 2/n/t" 
"movl %eax, %ebx/n/t" 
"test %ebx, %ecx/n/t" 
"jne error/n/t" 
"sti/n/t" 
"error: popl %edi/n/t" 
"subl %ecx, %ebx");

上面例子的格式是Linux内联代码常用的格式,非常整齐。也建议大家都使用这种格式来写内联汇编代码。


3、__volatile__

__volatile__是GCC关键字volatile的宏定义:

#define __volatile__ volatile

__volatile__ 或volatile是可选的,你可以用它也可以不用它。如果你用了它,则是向GCC声明“不要动我所写的Instruction List,我需要原封不动的保留每一条指令”,否则当你使用了优化选项(-O)进行编译时,GCC将会根据自己的判断决定是否将这个内联汇编表达式中的指 令优化掉。

那么GCC判断的原则是什么?我不知道(如果有哪位朋友清楚的话,请告诉我)。我试验了一下,发现一条内联汇编语句如果是基本 内联汇编的话(即只有“Instruction List”,没有Input/Output/Clobber的内联汇编,我们后面将会讨论这一点),无论你是否使用__volatile__来修饰, GCC 2.96在优化编译时,都会原封不动的保留内联汇编中的“Instruction List”。但或许我的试验的例子并不充分,所以这一点并不能够得到保证。

为了保险起见,如果你不想让GCC的优化影响你的内联汇编代码,你最好在前面都加上__volatile__,而不要依赖于编译器的原则,因为即使你非常了解当前编译器的优化原则,你也无法保证这种原则将来不会发生变化。而__volatile__的含义却是恒定的。 2、带有C/C++表达式的内联汇编

GCC允许你通过C/C++表达式指定内联汇编中"Instrcuction List"中指令的输入和输出,你甚至可以不关心到底使用哪个寄存器被使用,完全靠GCC来安排和指定。这一点可以让程序员避免去考虑有限的寄存器的使用,也可以提高目标代码的效率。

我们先来看几个例子:

__asm__ (" " : : : "memory" ); // 前面提到的

__asm__ ("mov %%eax, %%ebx" : "=b"(rv) : "a"(foo) : "eax", "ebx");

__asm__ __volatile__("lidt %0": "=m" (idt_descr));

__asm__("subl %2,%0/n/t"
"sbbl %3,%1"
: "=a" (endlow), "=d" (endhigh)
: "g" (startlow), "g" (starthigh), "0" (endlow), "1" (endhigh));

怎么样,有点印象了吧,是不是也有点晕?没关系,下面讨论完之后你就不会再晕了。(当然,也有可能更晕^_^)。讨论开始——

带有C/C++表达式的内联汇编格式为:

__asm__ __volatile__("Instruction List" : Output : Input : Clobber/Modify);

从中我们可以看出它和基本内联汇编的不同之处在于:它多了3个部分(Input,Output,Clobber/Modify)。在括号中的4个部分通过冒号(:)分开。

这4个部分都不是必须的,任何一个部分都可以为空,其规则为:

如 果Clobber/Modify为空,则其前面的冒号(:)必须省略。比如__asm__("mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) : "a"(inp) : )就是非法的写法;而__asm__("mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) : "a"(inp) )则是正确的。 
如果Instruction List为空,则Input,Output,

推荐:GCC使用的内嵌汇编语法格式小教程

本文对内嵌汇编语法,从基本语法、内嵌汇编的格式介绍、和扩展的内嵌汇编格式进行了详细说明,需要说明的是gcc采用的是at&t的汇编格式. 一 基本语法 语法上主

Clobber/Modify可以不为空,也可以为空。比如__asm__ ( " " : : : "memory" );和__asm__(" " : : );都是合法的写法。 
如 果Output,Input,Clobber/Modify都为空,Output,Input之前的冒号(:)既可以省略,也可以不省略。如果都省略,则 此汇编退化为一个基本内联汇编,否则,仍然是一个带有C/C++表达式的内联汇编,此时"Instruction List"中的寄存器写法要遵守相关规定,比如寄存器前必须使用两个百分号(%%),而不是像基本汇编格式一样在寄存器前只使用一个百分号(%)。比如 __asm__( " mov %%eax, %%ebx" : : );__asm__( " mov %%eax, %%ebx" : )和__asm__( " mov %eax, %ebx" )都是正确的写法,而__asm__( " mov %eax, %ebx" : : );__asm__( " mov %eax, %ebx" : )和__asm__( " mov %%eax, %%ebx" )都是错误的写法。 
如果Input,Clobber/Modify为空,但Output不为空,Input前的冒号(:)既可以省略,也可以不省略。比如 __asm__( " mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) : );__asm__( " mov %%eax, %%ebx" : "=b"(foo) )都是正确的。 
如果后面的部分不为空,而前面的部分为空,则前面的冒号(:)都必须保留,否则无法说 明不为空的部分究竟是第几部分。比如, Clobber/Modify,Output为空,而Input不为空,则Clobber/Modify前的冒号必须省略(前面的规则),而Output 前的冒号必须为保留。如果Clobber/Modify不为空,而Input和Output都为空,则Input和Output前的冒号都必须保留。比如 __asm__( " mov %%eax, %%ebx" : : "a"(foo) )和__asm__( " mov %%eax, %%ebx" : : : "ebx" )。
从上面的规则可以看到另外一个事实,区分一个内联汇编是基本格式的还是带有C/C++表达式格式的,其规则在于在"Instruction List"后是否有冒号(:)的存在,如果没有则是基本格式的,否则,则是带有C/C++表达式格式的。

两种格式对寄存器语法的要求不同:基本格式要求寄存器前只能使用一个百分号(%),这一点和非内联汇编相同;而带有C/C++表达式格式则要求寄存器前必须使用两个百分号(%%),其原因我们会在后面讨论。

1. Output

Output用来指定当前内联汇编语句的输出。我们看一看这个例子:

__asm__("movl %%cr0, %0": "=a" (cr0));

这 个内联汇编语句的输出部分为"=r"(cr0),它是一个“操作表达式”,指定了一个输出操作。我们可以很清楚得看到这个输出操作由两部分组成:括号括住 的部分(cr0)和引号引住的部分"=a"。这两部分都是每一个输出操作必不可少的。括号括住的部分是一个C/C++表达式,用来保存内联汇编的一个输出 值,其操作就等于C/C++的相等赋值cr0 = output_value,因此,括号中的输出表达式只能是C/C++的左值表达式,也就是说它只能是一个可以合法的放在C/C++赋值操作中等号(=) 左边的表达式。那么右值output_value从何而来呢 括 号中的表达式cpu->db7是一个C/C++语言的表达式,它不必是一个左值表达式,也就是说它不仅可以是放在C/C++赋值操作左边的表达式, 还可以是放在C/C++赋值操作右边的表达式。所以它可以是一个变量,一个数字,还可以是一个复杂的表达式(比如a+b/c*d)。比如上例可以改为: __asm__("movl %0, %%db7" : : "a" (foo)),__asm__("movl %0, %%db7" : : "a" (0x1000))或__asm__("movl %0, %%db7" : : "a" (va*vb/vc))。

引号号中的 部分是约束部分,和输出表达式约束不同的是,它不允许指定加号(+)约束和等号(=)约束,也就是说它只能是默认的Read-Only的。约束中必须指定 一个寄存器约束,例中的字母a表示当前输入变量cpu->db7要通过寄存器eax输入到当前内联汇编中。

我们看一个例子:

$ cat example4.c

int main(int __argc, char* __argv[]) 

int cr0 = 5; 

__asm__ __volatile__("movl %0, %%cr0"::"a" (cr0)); 

return 0; 
}

$ gcc -S example4.c

$ cat example4.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
subl $4, %esp 
movl $5, -4(%ebp) # cr0 = 5 
movl -4(%ebp), %eax # %eax = cr0
#APP 
movl %eax, %cr0 
#NO_APP 
movl $0, %eax 
leave 
ret 


我们从编译出的汇编代码可以看到,在"Instruction List"之前,GCC按照我们的输入约束"a",将变量cr0的内容装入了eax寄存器。

3. Operation Constraint

每一个Input和Output表达式都必须指定自己的操作约束Operation Constraint,我们这里来讨论在80386平台上所可能使用的操作约束。

1、寄存器约束

当你当前的输入或输入需要借助一个寄存器时,你需要为其指定一个寄存器约束。你可以直接指定一个寄存器的名字,比如:

__asm__ __volatile__("movl %0, %%cr0"::"eax" (cr0));

也可以指定一个缩写,比如:

__asm__ __volatile__("movl %0, %%cr0"::"a" (cr0));

如果你指定一个缩写,比如字母a,则GCC将会根据当前操作表达式中C/C++表达式的宽度决定使用%eax,还是%ax或%al。比如:

unsigned short __shrt;

__asm__ ("mov %0,%%bx" : : "a"(__shrt));

由于变量__shrt是16-bit short类型,则编译出来的汇编代码中,则会让此变量使用%ax寄存器。编译结果为:

movw -2(%ebp), %ax # %ax = __shrt
#APP
movl %ax, %bx
#NO_APP

无论是Input,还是Output操作表达式约束,都可以使用寄存器约束。

下表中列出了常用的寄存器约束的缩写。

约束 Input/Output 意义 
r I,O 表示使用一个通用寄存器,由GCC在%eax/%ax/%al, %ebx/%bx/%bl, %ecx/%cx/%cl, %edx/%dx/%dl中选取一个GCC认为合适的。 
q I,O 表示使用一个通用寄存器,和r的意义相同。 
a I,O 表示使用%eax / %ax / %al 
b I,O 表示使用%ebx / %bx / %bl 
c I,O 表示使用%ecx / %cx / %cl 
d I,O 表示使用%edx / %dx / %dl 
D I,O 表示使用%edi / %di 
S I,O 表示使用%esi / %si 
f I,O 表示使用浮点寄存器 
t I,O 表示使用第一个浮点寄存器 
u I,O 表示使用第二个浮点寄存器 


2、内存约束 
如果一个Input/Output操作表达式的C/C++表达式表现为一个内存地址,不想借助于任何寄存器,则可以使用内存约束。比如:

__asm__ ("lidt %0" : "=m"(__idt_addr)); 或 __asm__ ("lidt %0" : :"m"(__idt_addr));

我们看一下它们分别被放在一个C源文件中,然后被GCC编译后的结果:

$ cat example5.c

// 本例中,变量sh被作为一个内存输入

int main(int __argc, char* __argv[]) 

char* sh = (char*)&__argc; 

__asm__ __volatile__("lidt %0" : : "m" (sh)); 

return 0; 


$ gcc -S example5.c

$ cat example5.s

main: 
pushl %ebp 
movl %esp, %ebp 
subl $4, %esp 
leal 8(%ebp), %eax 
movl %eax, -4(%ebp) # sh = (char*) &__argc
#APP 
lidt -4(%ebp) 
#NO_APP 
movl $0, %eax 
leave 
ret 


$ cat example6.c

// 本例中,变量sh被作为一个内存输出

int main(int __argc, char* __argv[]) 

char* sh = (char*)&__argc; 

__asm__ __volatile__("lidt %0" : "=m" (sh)); 

return 0; 


$ gcc -S example6.c

$ cat example6.s

main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $4, %esp
leal 8(%ebp), %eax
movl %eax, -4(%ebp) # sh = (char*) &__argc
#APP
lidt -4(%ebp)
#NO_APP
movl $0, %eax
leave
ret
首先,你会注意到,在这两个例子中,变量sh没有借助任何寄存器,而是直接参与了指令lidt的操作。

其次,通过仔细观察,你会发现一个惊人的事实,两个例子编译出来的汇编代码是一样的!虽然,一个例子中变量sh作为输入,而另一个例子中变量sh作为输出。这是怎么回事?

原来,使用内存方式进行输入输出时,由于不借助寄存器,所以GCC不会按照你的声明对其作任何的输入输出处理。GCC只会直接拿来用,究竟对这个C/C++表达式而言是输入还是输出,完全依赖与你写在"Instruction List"中的指令对其操作的指令。

由 于上例中,对其操作的指令为lidt,lidt指令的操作数是一个输入型的操作数,所以事实上对变量sh的操作是一个输入操作,即使你把它放在 Output域也不会改变这一点。所以,对此例而言,完全符合语意的写法应该是将sh放在Input域,尽管放在Output域也会有正确的执行结果。

所 以,对于内存约束类型的操作表达式而言,放在Input域还是放在Output域,对编译结果是没有任何影响的,因为本来我们将一个操作表达式放在 Input域或放在Output域是希望GCC能为我们自动通过寄存器将表达式的值输入或输出。既然对于内存约束类型的操作表达式来说,GCC不会自动为 它做任何事情,那么放在哪儿也就无所谓了。但从程序员的角度而言,为了增强代码的可读性,最好能够把它放在符合实际情况的地方。

约束 Input/Output 意义 
m I,O 表示使用系统所支持的任何一种内存方式,不需要借助寄存器 

推荐:GCC内嵌汇编语法

内嵌汇编语法如下:        __asm__(汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分) 共四个部分:汇编语句模板,输出部分,输入部分,破坏描述部分,各部分使

__asm__是GCC关键字asm的宏定义: #define __asm__ asm __asm__或asm用来声明一个内联汇编表达式,所以任何一个内联汇编表达式都是以它开头的,是必不可少的。 2、Instruction List Instruction

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