作者
Bharata?B.?Rao
IBM?Linux?技術(shù)中心，IBM?軟件實驗室，印度
2001?年?3?月?
Bharata?B.?Rao?提供了在?Linux?平臺上使用和構(gòu)造?x86?內(nèi)聯(lián)匯編的概括性介紹。他介紹了內(nèi)聯(lián)匯編及其各種用法的基礎(chǔ)知識，提供了一些基本的內(nèi)聯(lián)匯編編碼指導(dǎo)，并解釋了在?Linux?內(nèi)核中內(nèi)聯(lián)匯編代碼的一些實例。
如果您是?Linux?內(nèi)核的開發(fā)人員，您會發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常要對與體系結(jié)構(gòu)高度相關(guān)的功能進行編碼或優(yōu)化代碼路徑。您很可能是通過將匯編語言指令插入到?C?語句的中間（又稱為內(nèi)聯(lián)匯編的一種方法）來執(zhí)行這些任務(wù)的。讓我們看一下?Linux?中內(nèi)聯(lián)匯編的特定用法。（我們將討論限制在?IA32?匯編。）
GNU?匯編程序簡述
讓我們首先看一下?Linux?中使用的基本匯編程序語法。GCC（用于?Linux?的?GNU?C?編譯器）使用?AT&T?匯編語法。下面列出了這種語法的一些基本規(guī)則。（該列表肯定不完整；只包括了與內(nèi)聯(lián)匯編相關(guān)的那些規(guī)則。）
寄存器命名?
寄存器名稱有?%?前綴。即，如果必須使用?eax，它應(yīng)該用作?%eax。?
源操作數(shù)和目的操作數(shù)的順序?
在所有指令中，先是源操作數(shù)，然后才是目的操作數(shù)。這與將源操作數(shù)放在目的操作數(shù)之后的?Intel?語法不同。?
mov?%eax,?%ebx,?transfers?the?contents?of?eax?to?ebx.
?
操作數(shù)大小?
根據(jù)操作數(shù)是字節(jié)?(byte)、字?(word)?還是長型?(long)，指令的后綴可以是?b、w?或?l。這并不是強制性的；GCC?會嘗試通過讀取操作數(shù)來提供相應(yīng)的后綴。但手工指定后綴可以改善代碼的可讀性，并可以消除編譯器猜測不正確的可能性。?
movb?%al,?%bl?--?Byte?move
????movw?%ax,?%bx?--?Word?move
????movl?%eax,?%ebx?--?Longword?move
?
立即操作數(shù)?
通過使用?＄?指定直接操作數(shù)。?
movl?＄0xffff,?%eax?--?will?move?the?value?of?0xffff?into?eax?register.
?
間接內(nèi)存引用?
任何對內(nèi)存的間接引用都是通過使用?(? ?來完成的。?
movb?(%esi),?%al?--?will?transfer?the?byte?in?the?memory?
?pointed?by?esi?into?al
register
?
內(nèi)聯(lián)匯編
GCC?為內(nèi)聯(lián)匯編提供特殊結(jié)構(gòu)，它具有以下格式：
GCG?的?"asm"?結(jié)構(gòu)?
???asm?(?assembler?template
????
:?output?operands???????????????(optional)
????
:?input?operands????????????????(optional)
????
:?list?of?clobbered?registers???
????(optional)
????
);??
?
本例中，匯編程序模板由匯編指令組成。輸入操作數(shù)是充當(dāng)指令輸入操作數(shù)使用的?C?表達式。輸出操作數(shù)是將對其執(zhí)行匯編指令輸出的?C?表達式。
內(nèi)聯(lián)匯編的重要性體現(xiàn)在它能夠靈活操作，而且可以使其輸出通過?C?變量顯示出來。因為它具有這種能力，所以?"asm"?可以用作匯編指令和包含它的?C?程序之間的接口。
一個非常基本但很重要的區(qū)別在于?簡單內(nèi)聯(lián)匯編只包括指令，而?擴展內(nèi)聯(lián)匯編包括操作數(shù)。要說明這一點，考慮以下示例：?
內(nèi)聯(lián)匯編的基本要素?
{
????int?a=10,?b;
????asm?("movl?%1,?%%eax;
????
movl?%%eax,?%0;"
????????:"=r"(b)??/*?output?*/????
????????:"r"(a)???????/*?input?*/
????????:"%eax";?/*?clobbered?register?*/
}
?
在上例中，我們使用匯編指令使?"b"?的值等于?"a"。請注意以下幾點：
"b"?是輸出操作數(shù)，由?%0?引用，"a"?是輸入操作數(shù)，由?%1?引用。?
"r"?是操作數(shù)的約束，它指定將變量?"a"?和?"b"?存儲在寄存器中。請注意，輸出操作數(shù)約束應(yīng)該帶有一個約束修飾符?"="，指定它是輸出操作數(shù)。?
要在?"asm"?內(nèi)使用寄存器?%eax，%eax?的前面應(yīng)該再加一個?%，換句話說就是?%%eax，因為?"asm"?使用?%0、%1?等來標(biāo)識變量。任何帶有一個?%?的數(shù)都看作是輸入／輸出操作數(shù)，而不認(rèn)為是寄存器。?
第三個冒號后的修飾寄存器?%eax?告訴將在?"asm"?中修改?GCC?%eax?的值，這樣?GCC?就不使用該寄存器存儲任何其它的值。?
movl?%1,?%%eax?將?"a"?的值移到?%eax?中，?movl?%%eax,?%0?將?%eax?的內(nèi)容移到?"b"?中。?
因為?"b"?被指定成輸出操作數(shù)，因此當(dāng)?"asm"?的執(zhí)行完成后，它將反映出更新的值。換句話說，對?"asm"?內(nèi)?"b"?所做的更改將在?"asm"?外反映出來。?
現(xiàn)在讓我們更詳細(xì)的了解每一項的含義。
匯編程序模板
匯編程序模板是一組插入到?C?程序中的匯編指令（可以是單個指令，也可以是一組指令）。每條指令都應(yīng)該由雙引號括起，或者整組指令應(yīng)該由雙引號括起。每條指令還應(yīng)該用一個定界符結(jié)尾。有效的定界符為新行?(\n)?和分號?(。?'\n'?后可以跟一個?tab(\t)?作為格式化符號，增加?GCC?在匯編文件中生成的指令的可讀性。?指令通過數(shù)?%0、%1?等來引用?C?表達式（指定為操作數(shù)）。
如果希望確保編譯器不會在?"asm"?內(nèi)部優(yōu)化指令，可以在?"asm"?后使用關(guān)鍵字?"volatile"。如果程序必須與?ANSI?C?兼容，則應(yīng)該使用?__asm__?和?__volatile__，而不是?asm?和?volatile。
操作數(shù)
C?表達式用作?"asm"?內(nèi)的匯編指令操作數(shù)。在匯編指令通過對?C?程序的?C?表達式進行操作來執(zhí)行有意義的作業(yè)的情況下，操作數(shù)是內(nèi)聯(lián)匯編的主要特性。
每個操作數(shù)都由操作數(shù)約束字符串指定，后面跟用括弧括起的?C?表達式，例如："constraint"?(C?expression)。操作數(shù)約束的主要功能是確定操作數(shù)的尋址方式。
可以在輸入和輸出部分中同時使用多個操作數(shù)。每個操作數(shù)由逗號分隔開。
在匯編程序模板內(nèi)部，操作數(shù)由數(shù)字引用。如果總共有?n?個操作數(shù)（包括輸入和輸出），那么第一個輸出操作數(shù)的編號為?0，逐項遞增，最后那個輸入操作數(shù)的編號為?n?-1。總操作數(shù)的數(shù)目限制在?10，如果機器描述中任何指令模式中的最大操作數(shù)數(shù)目大于?10，則使用后者作為限制。?
修飾寄存器列表
如果?"asm"?中的指令指的是硬件寄存器，可以告訴?GCC?我們將自己使用和修改它們。這樣，GCC?就不會假設(shè)它裝入到這些寄存器中的值是有效值。通常不需要將輸入和輸出寄存器列為?clobbered，因為?GCC?知道?"asm"?使用它們（因為它們被明確指定為約束）。不過，如果指令使用任何其它的寄存器，無論是明確的還是隱含的（寄存器不在輸入約束列表中出現(xiàn)，也不在輸出約束列表中出現(xiàn)），寄存器都必須被指定為修飾列表。修飾寄存器列在第三個冒號之后，其名稱被指定為字符串。
至于關(guān)鍵字，如果指令以某些不可預(yù)知且不明確的方式修改了內(nèi)存，則可能將?"memory"?關(guān)鍵字添加到修飾寄存器列表中。這樣就告訴?GCC?不要在不同指令之間將內(nèi)存值高速緩存在寄存器中。
操作數(shù)約束
前面提到過，"asm"?中的每個操作數(shù)都應(yīng)該由操作數(shù)約束字符串描述，后面跟用括弧括起的?C?表達式。操作數(shù)約束主要是確定指令中操作數(shù)的尋址方式。約束也可以指定：
是否允許操作數(shù)位于寄存器中，以及它可以包括在哪些種類的寄存器中?
操作數(shù)是否可以是內(nèi)存引用，以及在這種情況下使用哪些種類的地址?
操作數(shù)是否可以是立即數(shù)?
約束還要求兩個操作數(shù)匹配。
常用約束
在可用的操作數(shù)約束中，只有一小部分是常用的；下面列出了這些約束以及簡要描述。有關(guān)操作數(shù)約束的完整列表，請參考?GCC?和?GAS?手冊。
寄存器操作數(shù)約束?(r)?
使用這種約束指定操作數(shù)時，它們存儲在通用寄存器中。請看下例：?
asm?("movl?%%cr3,?%0\n"?:"=r"(cr3val));
?
這里，變量?cr3val?保存在寄存器中，%cr3?的值復(fù)制到寄存器上，cr3val?的值從該寄存器更新到內(nèi)存中。指定?"r"?約束時，GCC?可以將變量?cr3val?保存在任何可用的?GPR?中。要指定寄存器，必須通過使用特定的寄存器約束直接指定寄存器名。
a???%eax
b???%ebx
c???%ecx
d???%edx
S???%esi
D???%edi
?
內(nèi)存操作數(shù)約束?(m)?
當(dāng)操作數(shù)位于內(nèi)存中時，任何對它們執(zhí)行的操作都將在內(nèi)存位置中直接發(fā)生，這與寄存器約束正好相反，后者先將值存儲在要修改的寄存器中，然后將它寫回內(nèi)存位置中。但寄存器約束通常只在對于指令來說它們是絕對必需的，或者它們可以大大提高進程速度時使用。當(dāng)需要在?"asm"?內(nèi)部更新?C?變量，而您又確實不希望使用寄存器來保存其值時，使用內(nèi)存約束最為有效。例如，idtr?的值存儲在內(nèi)存位置?loc?中：?
?("sidt?%0\n"?:?:"m"(loc));
?
匹配（數(shù)字）約束?
在某些情況下，一個變量既要充當(dāng)輸入操作數(shù)，也要充當(dāng)輸出操作數(shù)。可以通過使用匹配約束在?"asm"?中指定這種情況。?
asm?("incl?%0"?:"=a"(var):"0"(var));
?
在匹配約束的示例中，寄存器?%eax?既用作輸入變量，也用作輸出變量。將?var?輸入讀取到?%eax，增加后將更新的?%eax?再次存儲在?var?中。這里的?"0"?指定第?0?個輸出變量相同的約束。即，它指定?var?的輸出實例只應(yīng)該存儲在?%eax?中。該約束可以用于以下情況：
輸入從變量中讀取，或者變量被修改后，修改寫回到同一變量中?
不需要將輸入操作數(shù)和輸出操作數(shù)的實例分開?
使用匹配約束最重要的意義在于它們可以導(dǎo)致有效地使用可用寄存器。
一般內(nèi)聯(lián)匯編用法示例
以下示例通過各種不同的操作數(shù)約束說明了用法。有如此多的約束以至于無法將它們一一列出，這里只列出了最經(jīng)常使用的那些約束類型。
"asm"?和寄存器約束?"r"?讓我們先看一下使用寄存器約束?r?的?"asm"。我們的示例顯示了?GCC?如何分配寄存器，以及它如何更新輸出變量的值。?
int?main(void)
{
????int?x?=?10,?y;
????
????asm?("movl?%1,?%%eax;
????
?"movl?%%eax,?%0;"
????????:"=r"(y)??/*?y?is?output?operand?*/
????????:"r"(x)???????/*?x?is?input?operand?*/
????????:"%eax";?/*?%eax?is?clobbered?register?*/
}
?
在該例中，x?的值復(fù)制為?"asm"?中的?y。x?和?y?都通過存儲在寄存器中傳遞給?"asm"。為該例生成的匯編代碼如下：
main:
pushl?%ebp
movl?%esp,%ebp
subl?＄8,%esp
movl?＄10,-4(%ebp)????
movl?-4(%ebp),%edx??/*?x=10?is?stored?in?%edx?*/
#APP????/*?asm?starts?here?*/???
movl?%edx,?%eax?????/*?x?is?moved?to?%eax?*/
movl?%eax,?%edx?????/*?y?is?allocated?in?edx?and?updated?*/
#NO_APP?/*?asm?ends?here?*/
movl?%edx,-8(%ebp)??/*?value?of?y?in?stack?is?updated?with?
????????????????
?the?value?in?%edx?*/?
?
當(dāng)使用?"r"?約束時，GCC?在這里可以自由分配任何寄存器。在我們的示例中，它選擇?%edx?來存儲?x。在讀取了?%edx?中?x?的值后，它為?y?也分配了相同的寄存器。
因為?y?是在輸出操作數(shù)部分中指定的，所以?%edx?中更新的值存儲在?-8(%ebp)，堆棧上?y?的位置中。如果?y?是在輸入部分中指定的，那么即使它在?y?的臨時寄存器存儲值?(%edx)?中被更新，堆棧上?y?的值也不會更新。
因為?%eax?是在修飾列表中指定的，GCC?不在任何其它地方使用它來存儲數(shù)據(jù)。
輸入?x?和輸出?y?都分配在同一個?%edx?寄存器中，假設(shè)輸入在輸出產(chǎn)生之前被消耗。請注意，如果您有許多指令，就不是這種情況了。要確保輸入和輸出分配到不同的寄存器中，可以指定?&?約束修飾符。下面是添加了約束修飾符的示例。
int?main(void)
{
????int?x?=?10,?y;
????
????asm?("movl?%1,?%%eax;
????
?"movl?%%eax,?%0;"
????????:"=&r"(y)?/*?y?is?output?operand,?note?the????
????????????????
?&?constraint?modifier.?*/
????????:"r"(x)???????/*?x?is?input?operand?*/
????????:"%eax";?/*?%eax?is?clobbered?register?*/
}
?
以下是為該示例生成的匯編代碼，從中可以明顯地看出?x?和?y?存儲在?"asm"?中不同的寄存器中。
main:
pushl?%ebp
movl?%esp,%ebp
subl?＄8,%esp
movl?＄10,-4(%ebp)
movl?-4(%ebp),%ecx??/*?x,?the?input?is?in?%ecx?*/
#APP
????movl?%ecx,?%eax
????movl?%eax,?%edx?????/*?y,?the?output?is?in?%edx?*/
#NO_APP
movl?%edx,-8(%ebp)
?
特定寄存器約束的使用
現(xiàn)在讓我們看一下如何將個別寄存器作為操作數(shù)的約束指定。在下面的示例中，cpuid?指令采用?%eax?寄存器中的輸入，然后在四個寄存器中給出輸出：%eax、%ebx、%ecx、%edx。對?cpuid?的輸入（變量?"op"）傳遞到?"asm"?的?eax?寄存器中，因為?cpuid?希望它這樣做。在輸出中使用?a、b、c?和?d?約束，分別收集四個寄存器中的值。
asm?("cpuid"
:?"=a"?(_eax),
"=b"?(_ebx),
"=c"?(_ecx),
"=d"?(_edx)
:?"a"?(op));
?
在下面可以看到為它生成的匯編代碼（假設(shè)?_eax、_ebx?等...?變量都存儲在堆棧上）：
movl?-20(%ebp),%eax?/*?store?'op'?in?%eax?--?input?*/
#APP
cpuid
#NO_APP
movl?%eax,-4(%ebp)??/*?store?%eax?in?_eax?--?output?*/
movl?%ebx,-8(%ebp)??/*?store?other?registers?in
movl?%ecx,-12(%ebp)?
?respective?output?variables?*/
movl?%edx,-16(%ebp)
?
strcpy?函數(shù)可以通過以下方式使用?"S"?和?"D"?約束來實現(xiàn)：
asm?("cld\n
????
rep\n
????
movsb"
????
:?/*?no?input?*/
????
:"S"(src),?"D"(dst),?"c"(count));
?
通過使用?"S"?約束將源指針?src?放入?%esi?中，使用?"D"?約束將目的指針?dst?放入?%edi?中。因為?rep?前綴需要?count?值，所以將它放入?%ecx?中。
在下面可以看到另一個約束，它使用兩個寄存器?%eax?和?%edx?將兩個?32?位的值合并在一起，然后生成一個64?位的值：
#define?rdtscll(val)?\
?__asm__?__volatile__?("rdtsc"?:?"=A"?(val))
The?generated?assembly?looks?like?this?(if?val?has?a?64?bit?memory?space).
#APP
rdtsc
#NO_APP
movl?%eax,-8(%ebp)??/*?As?a?result?of?A?constraint?
movl?%edx,-4(%ebp)??
?%eax?and?%edx?serve?as?outputs?*/
Note?here?that?the?values?in?%edx:%eax?serve?as?64?bit?output.
?
使用匹配約束
在下面將看到系統(tǒng)調(diào)用的代碼，它有四個參數(shù)：
#define?_syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4)?\
type?name?(type1?arg1,?type2?arg2,?type3?arg3,?type4?arg4)?\
{?\
long?__res;?\
__asm__?volatile?("int?＄0x80"?\
:?"=a"?(__res)?\
:?"0"?(__NR_##name),"b"?((long)(arg1)),"c"?((long)(arg2)),?\
"d"?((long)(arg3)),"S"?((long)(arg4)));?\
__syscall_return(type,__res);?\
}
?
在上例中，通過使用?b、c、d?和?S?約束將系統(tǒng)調(diào)用的四個自變量放入?%ebx、%ecx、%edx?和?%esi?中。請注意，在輸出中使用了?"=a"?約束，這樣，位于?%eax?中的系統(tǒng)調(diào)用的返回值就被放入變量?__res?中。通過將匹配約束?"0"?用作輸入部分中第一個操作數(shù)約束，syscall?號?__NR_##name?被放入?%eax?中，并用作對系統(tǒng)調(diào)用的輸入。這樣，這里的?%eax?既可以用作輸入寄存器，又可以用作輸出寄存器。沒有其它寄存器用于這個目的。另請注意，輸入（syscall?號）在產(chǎn)生輸出（syscall?的返回值）之前被消耗（使用）。
內(nèi)存操作數(shù)約束的使用
請考慮下面的原子遞減操作：
__asm__?__volatile__(
"lock;?decl?%0"
:"=m"?(counter)
:"m"?(counter));
?
為它生成的匯編類似于：
#APP
????lock
????decl?-24(%ebp)?/*?counter?is?modified?on?its?memory?location?*/
#NO_APP.
?
您可能考慮在這里為?counter?使用寄存器約束。如果這樣做，counter?的值必須先復(fù)制到寄存器，遞減，然后對其內(nèi)存更新。但這樣您會無法理解鎖定和原子性的全部意圖，這些明確顯示了使用內(nèi)存約束的必要性。
使用修飾寄存器
請考慮內(nèi)存拷貝的基本實現(xiàn)。
???asm?("movl?＄count,?%%ecx;
????
up:?lodsl;??
????
stosl;
????
loop?up;"
????????:???????????/*?no?output?*/
????????:"S"(src),?"D"(dst)?/*?input?*/
????????:"%ecx",?"%eax"?;??/*?clobbered?list?*/????
?
當(dāng)?lodsl?修改?%eax?時，lodsl?和?stosl?指令隱含地使用它。%ecx?寄存器明確裝入?count。但?GCC?在我們通知它以前是不知道這些的，我們是通過將?%eax?和?%ecx?包括在修飾寄存器集中來通知?GCC?的。在完成這一步之前，GCC?假設(shè)?%eax?和?%ecx?是自由的，它可能決定將它們用作存儲其它的數(shù)據(jù)。請注意，%esi?和?%edi?由?"asm"?使用，它們不在修飾列表中。這是因為已經(jīng)聲明?"asm"?將在輸入操作數(shù)列表中使用它們。這里最低限度是，如果在?"asm"?內(nèi)部使用寄存器（無論是明確還是隱含地），既不出現(xiàn)在輸入操作數(shù)列表中，也不出現(xiàn)在輸出操作數(shù)列表中，必須將它列為修飾寄存器。
結(jié)束語
總的來說，內(nèi)聯(lián)匯編非常巨大，它提供的許多特性我們甚至在這里根本沒有涉及到。但如果掌握了本文描述的基本材料，您應(yīng)該可以開始對自己的內(nèi)聯(lián)匯編進行編碼了。
參考資料?
您可以參閱本文在?developerWorks?全球站點上的?英文原文.?
請參考?Using?and?Porting?the?GNU?Compiler?Collection?(GCC)手冊。?
請參考?GNU?Assembler?(GAS)手冊。?
仔細(xì)閱讀?Brennan's?Guide?to?Inline?Assembly。?
關(guān)于作者
Bharata?B.?Rao?擁有印度?Mysore?大學(xué)的電子和通信工程的學(xué)士學(xué)位。他從?1999?年就開始為?IBM?Global?Services,?India?工作了。他是?IBM?Linux?技術(shù)中心的成員之一，他在該中心中主要從事?Linux?RAS（可靠性、可用性和適用性）的研究。他感興趣的其它領(lǐng)域包括操作系統(tǒng)本質(zhì)和處理器體系結(jié)構(gòu)。可以通過?rbharata@in.ibm.com?與他聯(lián)系。??
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