使用 GCC 内联汇编和取立即值的指令

Question

问题

我正在为 ARM Cortex-M3 处理器开发自定义操作系统。 要与我的 kernel 交互，用户线程必须生成一个 SuperVisor Call (SVC) 指令（以前称为 SWI，用于软件中断）。 ARM ARM中这条指令的定义是：

这意味着该指令需要立即参数，而不是寄存器值。

这让我很难以可读的方式构建我的界面。 它需要如下代码：

asm volatile( "svc #0");

当我更喜欢类似的东西

svc(SVC_YIELD);

但是，我无法构造这个 function，因为 SVC 指令需要立即参数，而当值通过寄存器传入时我无法提供。

kernel：

作为背景，svc指令在kernel中解码如下

#define SVC_YIELD   0
// Other SVC codes

// Called by the SVC interrupt handler (not shown)
void handleSVC(char code)
{
  switch (code) {

    case SVC_YIELD:
      svc_yield();
      break;
    // Other cases follow

这个案例陈述很快就失控了，但我看不出解决这个问题的办法。 欢迎提出任何建议。

我试过的

带有寄存器参数的 SVC

我最初考虑过

__attribute__((naked)) svc(char code)
{
    asm volatile ("scv r0"); 
}

但这当然不起作用，因为 SVC 需要一个寄存器参数。

蛮力

解决问题的蛮力尝试如下所示：

void svc(char code)
  switch (code) {
    case 0:
      asm volatile("svc #0");
      break;
    case 1:
      asm volatile("svc #1");
      break;
    /* 253 cases omitted */
    case 255:
      asm volatile("svc #255");
      break;
  }
}

但那有一股难闻的代码味道。 这当然可以做得更好。

即时生成指令编码

最后一次尝试是在 RAM 中生成指令（代码的 rest 从只读闪存运行）然后运行它：

void svc(char code)
{
  asm volatile (
      "orr r0, 0xDF00  \n\t" // Bitwise-OR the code with the SVC encoding
      "push {r1, r0}   \n\t" // Store the instruction to RAM (on the stack)
      "mov r0, sp      \n\t" // Copy the stack pointer to an ordinary register
      "add r0, #1      \n\t" // Add 1 to the address to specify THUMB mode
      "bx r0           \n\t" // Branch to newly created instruction
      "pop {r1, r0}    \n\t" // Restore the stack
      "bx lr           \n\t" // Return to caller
      );
}

但这也感觉不对。 此外，它不起作用 - 我在这里做错了什么； 也许我的指令没有正确对齐，或者我没有设置处理器以允许在此位置从 RAM 运行代码。

我应该怎么办？

我必须处理最后一个选项。 但是，感觉我应该能够做类似的事情：

__attribute__((naked)) svc(char code)
{
    asm volatile ("scv %1"
         : /* No outputs */
         : "i" (code)    // Imaginary directive specifying an immediate argument
                         // as opposed to conventional "r"
          ); 
}

但是我在文档中没有找到任何这样的选项，而且我无法解释如何实现这样的功能，所以它可能不存在。 我应该怎么做？

Answer 1

您希望使用约束来强制将操作数分配为8位立即数。 对于ARM，这是约束I 。 所以你要

#define SVC(code) asm volatile ("svc %0" : : "I" (code) )

有关所有constaints的摘要，请参阅GCC文档 - 您需要查看特定于处理器的注释以查看特定平台的约束。 在某些情况下，您可能需要查看gcc源代码中架构的.md （机器描述）文件以获取完整信息。

还有一些不错的特定ARM-GCC文档在这里 。 在“输入和输出操作数”标题下面几页，它提供了所有ARM约束的表格

Answer 2

使用宏怎么样：

#define SVC(i)  asm volatile("svc #"#i)

Answer 3

正如Chris Dodd在关于宏的评论中所指出的那样，它并不是很有效，但是这样做：

#define STRINGIFY0(v) #v
#define STRINGIFY(v) STRINGIFY0(v)
#define SVC(i)  asm volatile("svc #" STRINGIFY(i))

但是请注意，如果您将枚举值传递给它，它只会是#defined。

因此，克里斯上面的答案是最好的，因为它使用立即值，这是所需要的，至少是拇指指令。

Answer 4

我的解决方案（“动态生成指令编码”）：

#define INSTR_CODE_SVC      (0xDF00)
#define INSTR_CODE_BX_LR    (0x4770)

void svc_call(uint32_t svc_num)
{
    uint16_t instrs[2];

    instrs[0] = (uint16_t)(INSTR_CODE_SVC | svc_num);
    instrs[1] = (uint16_t)(INSTR_CODE_BX_LR);

    // PC = instrs (or 1 -> thumb mode)
    ((void(*)(void))((uint32_t)instrs | 1))();
}

它的工作原理和它比switch-case变体要好得多，后者需要大约2kb的ROM才能生成256个svc。 这个func不必放在RAM部分，FLASH就可以了。 如果svc_num应该是运行时变量，则可以使用它。

Answer 5

正如在这个问题中所讨论的那样， SVC的操作数是固定的，即预处理器应该知道它，它与立即数据处理操作数不同。

gcc手册上写着

'I'-作为数据处理指令中的立即操作数有效的整数。 也就是说，0到255范围内的整数旋转2的倍数。

因此，这里使用宏的答案是首选，并且Chris Dodd的答案不能保证可行，具体取决于gcc版本和优化级别。 请参阅另一个问题的讨论。

Answer 6

我最近在 Cortex-M 上为我自己的玩具操作系统编写了一个处理程序。 如果任务使用 PSP 指针，则工作。

思路：获取被中断进程的栈指针，获取进程的栈PC，就会有SVC之后指令的指令地址，查找指令中的立即数。 它并不像听起来那么难。

uint8_t __attribute__((naked)) get_svc_code(void){
__asm volatile("MSR R0, PSP"); //Get Process Stack Pointer (We're in SVC ISR, so currently MSP in use)
__asm volatile("ADD R0, #24"); //Pointer to stacked process's PC is in R0
__asm volatile("LDR R1, [R0]"); //Instruction Address after SVC is in R1
__asm volatile("SUB R1, R1, #2"); //Subtract 2 bytes from the address of the current instruction. Now R1 contains address of SVC instruction
__asm volatile("LDRB R0, [R1]"); //Load lower byte of 16-bit instruction into R0. It's immediate value.
//Value is in R0. Function can return
}