汇编程序调用 C 程序详解

文章目录

1. ATPCS 规则

2. 汇编和C程序传递参数

汇编程序向 C 程序的函数传递参数

C 程序返回结果给汇编程序

代码示例

3. C 函数使用栈

4. C 语言中读写寄存器

---

在嵌入式开发中，经常需要在 C 程序和 ARM 汇编程序之间进行相互调用。为了保证这些调用的正确性和兼容性，ARM 提出了 ATPCS（ARM-Thumb Procedure Call Standard）规范。该规范定义了函数调用时的基本规则和寄存器使用约定。

1. ATPCS 规则

ATPCS 是 ARM 和 THUMB 指令集过程序调用的规范，它规定了函数调用时如何传递参数、如何获取参数以及如何返回值。

寄存器使用规则:

• 在函数中，通过寄存器 R0-R3 传递参数，被调用的函数在返回前无须恢复寄存器 R0-R3 的内容。
• 在函数中，通过寄存器 R4~R11 保存局部变量。
• 寄存器 R12 用作函数间的 scratch 寄存器，即临时寄存器。
• 寄存器 R13 用作堆栈指针，即 SP（Stack Pointer），在函数中寄存器 R13 不能用于其他用途。寄存器 SP 在进入函数时的值和退出函数时的值必须相等。
• 寄存器 R14 用于存放返回地址，即 LR（Link Register），它用于存放调用函数的返回地址。函数返回时，CPU 会跳转到 LR 指向的地址继续执行调用函数。
• 寄存器 R15 是程序计数器，即 PC（Program Counter），用于指向当前指令的地址，指令执行时自动递增。

示例代码

假设一个 C 函数 add，它接收两个整数参数并返回它们的和：

// add.c
int add(int a, int b) {return a + b;
}

汇编代码示例：

.global main.extern add  // 声明外部函数 addmain:MOV R0, #5       // 第一个参数 a = 5MOV R1, #10      // 第二个参数 b = 10BL add           // 调用 C 函数 addMOV R7, #1       // syscall: exitSWI 0            // 软件中断，退出程序

• .global main：声明 main 函数为全局符号，以便链接器能够识别和连接它。
• .extern add：声明外部符号 add，表明 add 函数是在外部文件中定义的。
• MOV R0, #5 和 MOV R1, #10：将值 5 和 10 分别加载到寄存器 R0 和 R1 中，这两个寄存器用于传递参数 a 和 b。
• BL add：调用 C 函数 add。BL 指令（Branch with Link）会将当前 PC 值存储到 LR 中，并跳转到 add 函数的地址。
• MOV R7, #1 和 SWI 0：用于执行软件中断，退出程序。

函数调用前准备：

• 在调用 add 函数之前，需要将参数准备好。根据 ATPCS 规则，前四个参数依次存放在 R0、R1、R2 和 R3 寄存器中。

函数调用：

• 使用 BL add 指令调用 add 函数。BL 指令会保存返回地址到 LR 寄存器，并跳转到 add 函数的入口地址。

函数返回：

• 当 add 函数执行完毕后，返回值存放在 R0 寄存器中，CPU 会从 LR 寄存器中读取返回地址并跳转回调用函数继续执行。

2. 汇编和C程序传递参数

汇编程序向 C 程序的函数传递参数

在汇编程序中调用 C 函数时，通常需要传递参数给 C 函数。ATPCS 规范规定了如何传递参数的方法：

• 参数少于等于 4 个时：
  • 使用寄存器 R0 至 R3 来进行参数传递。第一个参数传递到 R0，第二个参数传递到 R1，依此类推。如果只有一个参数，它将存储在 R0 中；如果有两个参数，第一个参数在 R0 中，第二个参数在 R1 中，以此类推，直到 R3。
• 参数大于 4 个时：
  • 前四个参数按照上述方法传递。剩余的参数通过堆栈传递。调用函数时，调用者需要将这些多余参数压入堆栈。入栈的顺序是从最后一个参数开始，即最后一个参数先入栈。

C 程序返回结果给汇编程序

C 函数执行完毕后，需要将结果返回给调用它的汇编程序。返回值的传递方法也有一定的规范：

• 结果为一个 32 位的整数时：

  • 通过寄存器 R0 返回。函数的返回值会存储在 R0 寄存器中。

• 结果为一个 64 位整数时：

  • 通过寄存器 R0 和 R1 返回。64 位整数的低 32 位存储在 R0 中，高 32 位存储在 R1 中。

• 结果为一个浮点数时：

  • 通过浮点寄存器 f0、d0 或 s0 返回。浮点数结果存储在浮点寄存器中。

• 结果为一个复杂的浮点数时：

  • 通过寄存器 f0fN 或者 d0dN 返回。复杂浮点数的每一部分可能存储在不同的浮点寄存器中。

• 对于传递更多位数的结果：

  • 通过调用者的不同寄存器来传递，具体依据实际情况和编译器的规定。

代码示例

假设一个 C 函数 multiply，它接收两个整数参数并返回它们的乘积：

// multiply.c
int multiply(int x, int y) {return x * y;
}

在汇编程序中调用这个 C 函数并传递参数 6 和 7：

.global main
.extern multiply  // 声明外部函数 multiplymain:MOV R0, #6       // 第一个参数 x = 6MOV R1, #7       // 第二个参数 y = 7BL multiply      // 调用 C 函数 multiplyMOV R7, #1       // syscall: exitSWI 0            // 软件中断，退出程序

• MOV R0, #6 和 MOV R1, #7：将值 6 和 7 分别加载到寄存器 R0 和 R1 中。这两个寄存器用于传递参数 x 和 y。
• BL multiply：调用 C 函数 multiply。BL 指令会将当前 PC 值存储到 LR 中，并跳转到 multiply 函数的地址。
• MOV R7, #1 和 SWI 0：用于执行软件中断，退出程序。

调用完 multiply 函数后，乘积结果会存储在 R0 中。通过这种方式，可以在汇编程序和 C 程序之间进行参数传递和结果返回。

3. C 函数使用栈

在 C 程序和 ARM 汇编程序的函数调用过程中，使用栈（stack）是非常重要的一部分。栈的主要作用有两个：保存现场/上下文，传递参数。

保存现场/上下文

1. 保存现场： 在程序执行过程中，当发生函数调用时，需要暂时保存当前的执行现场，以便函数执行完毕后可以恢复到调用前的状态。这个保存的过程通常称为“保存现场”。

   例如，当 CPU 运行到某些寄存器时（如 R0~R3，LR 等），这些寄存器中可能存有重要的数据。如果直接跳转到函数去执行，而不保存这些寄存器的数据，函数执行过程中对这些寄存器的操作就会破坏原有的数据。因此，需要先将这些寄存器的数据暂时存放到栈中。

2. 保存上下文： 保存上下文的过程和保存现场类似。上下文指的是当前程序执行的状态，包括寄存器内容、程序计数器等信息。当函数调用发生时，需要将这些上下文信息保存到栈中，以便函数执行完毕后能够准确地恢复到调用前的状态。

   因此，在函数调用之前，应该将这些寄存器的数据临时保存到栈中，等待函数执行完毕返回后，再恢复现场。这样 CPU 就可以正确地继续执行后续的指令。

传递参数

1. 传递参数： 当参数数量大于 4 个时（不包括第 4 个参数），第 4 个参数后的参数就保存在栈中。

   传递参数的过程通常如下：

   • 当被调用函数的参数超过 4 个时，前四个参数通过寄存器 R0~R3 传递，剩余的参数依次压入栈中。
   • 在函数调用过程中，调用者会将这些参数按顺序压入栈中，函数被调用时通过从栈中读取这些参数来进行处理。

代码示例

假设一个 C 函数 func，它接收五个整数参数并返回它们的和：

// func.c
int func(int a, int b, int c, int d, int e) {return a + b + c + d + e;
}

在汇编程序中调用这个 C 函数并传递参数 1, 2, 3, 4, 5：

.global main
.extern func  // 声明外部函数 funcmain:MOV R0, #1       // 第一个参数 a = 1MOV R1, #2       // 第二个参数 b = 2MOV R2, #3       // 第三个参数 c = 3MOV R3, #4       // 第四个参数 d = 4PUSH {R4}        // 保存现场，R4 用于传递第 5 个参数MOV R4, #5       // 第五个参数 e = 5BL func          // 调用 C 函数 funcPOP {R4}         // 恢复现场MOV R7, #1       // syscall: exitSWI 0            // 软件中断，退出程序

• MOV R0, #1 至 MOV R3, #4：将前四个参数加载到寄存器 R0~R3 中。
• PUSH {R4}：将寄存器 R4 的内容压入栈中，以便在使用 R4 传递第 5 个参数时，不破坏原有的内容。
• MOV R4, #5：将第 5 个参数加载到寄存器 R4 中。
• BL func：调用 C 函数 func。BL 指令会将当前 PC 值存储到 LR 中，并跳转到 func 函数的地址。
• POP {R4}：从栈中恢复寄存器 R4 的内容，恢复现场。
• MOV R7, #1 和 SWI 0：用于执行软件中断，退出程序。

通过使用栈，可以确保在函数调用过程中，参数能够正确传递，并且在函数调用完毕后，能够正确恢复程序的执行现场，从而保证程序的正常运行。

4. C 语言中读写寄存器

在嵌入式系统开发中，经常需要访问芯片上某些特定模块的寄存器。这些寄存器并不位于 CPU 内部，而是在芯片的外部模块中。我们通过指针访问这些寄存器的方式与访问普通内存一样。

寄存器地址与指针

每个寄存器都有一个固定的地址。通过定义一个指向这个地址的指针，可以对寄存器进行读写操作。

例如，假设有一个寄存器 CCM_CCGR1，它的地址为 0x20C406C，我们可以定义一个指向该地址的指针，并使用 volatile 关键字告知编译器该寄存器的值可能会被外部硬件或其他程序修改，不应进行优化。

示例代码

volatile unsigned int *CCM_CCGR1 = (volatile unsigned int *)(0x20C406C);

这里的 volatile unsigned int * 表示一个指向 unsigned int 类型的指针，并且这个指针指向的数据是 volatile 类型，即数据可能会被外部因素修改。

读写寄存器

通过这个指针，我们可以进行读写操作：

• 读寄存器

val = *CCM_CCGR1;

这行代码将读取 CCM_CCGR1 寄存器的值，并存储到变量 val 中。

• 写寄存器

*CCM_CCGR1 |= (3 << 30);

• *CCM_CCGR1 通过指针访问寄存器 CCM_CCGR1。
• |= (3 << 30) 是一个位操作，将 3 左移 30 位，得到一个值，这个值在二进制中表示为 11（即第 31 位和第 30 位都为 1），然后将这个值与 CCM_CCGR1 的当前值进行按位或操作，结果将这两位设置为 1。

通过上述方法可以在 C 语言中方便地对寄存器进行读写操作，确保对硬件寄存器的正确访问和修改。这种方法广泛应用于嵌入式系统开发中，特别是在处理器需要与外部设备进行通信或控制时。