使用 GCC 內聯匯編和取立即值的指令

Question

問題

我正在為 ARM Cortex-M3 處理器開發自定義操作系統。 要與我的 kernel 交互，用戶線程必須生成一個 SuperVisor Call (SVC) 指令（以前稱為 SWI，用於軟件中斷）。 ARM ARM中這條指令的定義是：

這意味着該指令需要立即參數，而不是寄存器值。

這讓我很難以可讀的方式構建我的界面。 它需要如下代碼：

asm volatile( "svc #0");

當我更喜歡類似的東西

svc(SVC_YIELD);

但是，我無法構造這個 function，因為 SVC 指令需要立即參數，而當值通過寄存器傳入時我無法提供。

kernel：

作為背景，svc指令在kernel中解碼如下

#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

這個案例陳述很快就失控了，但我看不出解決這個問題的辦法。 歡迎提出任何建議。

我試過的

帶有寄存器參數的 SVC

我最初考慮過

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

但這當然不起作用，因為 SVC 需要一個寄存器參數。

蠻力

解決問題的蠻力嘗試如下所示：

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;
  }
}

但那有一股難聞的代碼味道。 這當然可以做得更好。

即時生成指令編碼

最后一次嘗試是在 RAM 中生成指令（代碼的 rest 從只讀閃存運行）然后運行它：

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
      );
}

但這也感覺不對。 此外，它不起作用 - 我在這里做錯了什么； 也許我的指令沒有正確對齊，或者我沒有設置處理器以允許在此位置從 RAM 運行代碼。

我應該怎么辦？

我必須處理最后一個選項。 但是，感覺我應該能夠做類似的事情：

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

但是我在文檔中沒有找到任何這樣的選項，而且我無法解釋如何實現這樣的功能，所以它可能不存在。 我應該怎么做？

Answer 1

您希望使用約束來強制將操作數分配為8位立即數。 對於ARM，這是約束I 。 所以你要

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

有關所有constaints的摘要，請參閱GCC文檔 - 您需要查看特定於處理器的注釋以查看特定平台的約束。 在某些情況下，您可能需要查看gcc源代碼中架構的.md （機器描述）文件以獲取完整信息。

還有一些不錯的特定ARM-GCC文檔在這里 。 在“輸入和輸出操作數”標題下面幾頁，它提供了所有ARM約束的表格

Answer 2

使用宏怎么樣：

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

Answer 3

正如Chris Dodd在關於宏的評論中所指出的那樣，它並不是很有效，但是這樣做：

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

但是請注意，如果您將枚舉值傳遞給它，它只會是#defined。

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

Answer 4

我的解決方案（“動態生成指令編碼”）：

#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變體要好得多，后者需要大約2kb的ROM才能生成256個svc。 這個func不必放在RAM部分，FLASH就可以了。 如果svc_num應該是運行時變量，則可以使用它。

Answer 5

正如在這個問題中所討論的那樣， SVC的操作數是固定的，即預處理器應該知道它，它與立即數據處理操作數不同。

gcc手冊上寫着

'I'-作為數據處理指令中的立即操作數有效的整數。 也就是說，0到255范圍內的整數旋轉2的倍數。

因此，這里使用宏的答案是首選，並且Chris Dodd的答案不能保證可行，具體取決於gcc版本和優化級別。 請參閱另一個問題的討論。

Answer 6

我最近在 Cortex-M 上為我自己的玩具操作系統編寫了一個處理程序。 如果任務使用 PSP 指針，則工作。

思路：獲取被中斷進程的棧指針，獲取進程的棧PC，就會有SVC之后指令的指令地址，查找指令中的立即數。 它並不像聽起來那么難。

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
}