《ARMC语言的使》PPT课件.ppt

第八章 ARM C語言的使用,DMATEK CO.,LTD 深圳市長高科技有限公司,本章節將介紹ARM C語言程式設計概念，透過對本文的閱讀，希望讀者能瞭解ARM微處理器支援的C語言的使用方法，我們會搭配反組譯的功能，讓讀者更瞭解ARM是如何來支援高階語言的運作。 本章的主要內容有： 抽象化概念 運算子 區域變數/全域變數 指標運算 迴圈/條件判斷 傳址呼叫和傳值呼叫,8-1 抽象化概念： 當讀者熟讀前面幾章後，應該對ARM有深刻的印象，在指令集您會感覺到ARM的強大功能，單一指令可以同時完成許多動作，然而使用組合語言來撰寫程式，您一定倍感辛苦，而特別是靈活運用條件執行Conditional Execution，把每一道指令添增了16種變化，相信您必須具備孫悟空72變化能力才能順利駕馭。本章將說明如何使用高階語言來撰寫ARM應用程式。在這之前先讓我們來看看組合語言及C語言抽象化的概念。 組合語言層次的抽象化 程式設計師直接以指令來撰寫組合語言的程式，您必須熟悉指令格式、定址方式、暫存器及記憶體空間等觀念。通常組合言的指令和機器指令是採1對1的關係，在指令格式中要特別注意條件執行，若能妥善運用不但能增強管線的效能而且程式也變得更加精簡，程式長度有可能比高階語言還要短。ARM指令集可分成ARM及THUMB兩種，前者為32位元而後者則為16位元。通常對於要求效能可以使用32位元，但對於空間及節能等需求時則可以考慮將部份程式用THUMB指令撰寫。,高階語言層次的抽象化 高階語言允許程式設計師以跳脫機械層級的思考來撰寫程式。高階語言和機器語言間已不是1對1的關係，對高階語言的程式設計師而言，不見得要熟悉ARM指令或暫存器等配置。所以有很多高階語言程式設計師並不見得對ARM機器有很深的瞭解。然而建議讀者要清楚瞭解ARM的硬體結構，在撰寫C語言程式時，能多考慮到ARM機器的特質，如此才能事半功倍。例如：過長的迴圈將會使快取記憶體（Cache）無法發揮它的長才。,8-2 運算子： C語言提供強大的運算子來處理運算工作，運算子可分成一元運算子Unary Operators、二元運算子Binary Operators、及三元運算子Ternary Operators，依其功能可將運算子可分成下列： 1. 算術運算子Arithmetic Operators 2. 關係運算子Relational Operators 3. 邏輯運算子Logical Operators 4. 指定運算子Assignment Operators 5. 增減運算子Increments and Decrement Operators 6. 條件運算子Conditional Operators 7. 位元運算子Bitwise Operators 8. 特殊運算子Special Operators,8-2.1 算術運算子 算術運算子可分成：加法、減法、乘法、除法、及取餘數，分別用+、-、*、/、及%來表示。詳如下表：,以下為運算子的範例： int main() int a,b,c; a=1; b=2; c=a+b; return 0; 其反組譯程式如下： 1 int main() 2 3 int a,b,c; 4 a=1; main 0xe3a01001 * mov r1,#1,5 b=2; 000080ac 0xe3a02002 mov r2,#2 6 c=a+b; 000080b0 0xe0813002 add r3,r1,r2 7 return 0; 000080b4 0xe3a00000 mov r0,#0 8 000080b8 0xe1a0f00e mov pc,r14,接下來我們來觀察，ARM對於除法的支援情形，以下是除法範例的反組譯程式列表： 3 int a,b,c; 4 a=6; 000080ac 0xe3a04006 mov r4,#6 5 b=2; 000080b0 0xe3a05002 mov r5,#2 6 c=a/b; 000080b4 0xe1a01004 mov r1,r4 000080b8 0xe1a00005 mov r0,r5 000080bc 0xeb000004 bl _rt_sdiv 000080c0 0xe1a06000 mov r6,r0,您應該可以發現ARM並未提供除法指令而由呼叫_rt_sdiv副程式取代，我們再來看看取餘數的反組譯程式列表： 3 int a,b,c; 4 a=6; 000080ac 0xe3a04006 mov r4,#6 5 b=2; 000080b0 0xe3a05002 mov r5,#2 6 c=a%b; 000080b4 0xe1a01004 mov r1,r4 000080b8 0xe1a00005 mov r0,r5 000080bc 0xeb000004 bl _rt_sdiv 000080c0 0xe1a06001 mov r6,r1,8-2.2 關係運算子 關係運算子有小於、小於等於、大於、大於等於、等於、及不等於，用、=、=、及!=來表示。詳如下表：,小於關係運算子的範例如下： 3 int a,b,c; 4 a=6; main 0xe3a01006 * mov r1,#6 5 b=2; 000080ac 0xe3a02002 mov r2,#2 c=ab; 000080b0 0xe1510002 cmp r1,r2 000080b4 0xaa000001 bge 0x80c0 ; (main + 0x18) 000080b8 0xe3a00001 mov r0,#1 000080bc 0xea000000 b 0x80c4 ; (main + 0x1c) 000080c0 0xe3a00000 mov r0,#0 000080c4 0xe1a03000 mov r3,r0 由上面範例可知小於關係運算子是利用cmp指令來設計，並利用分支指令b及其條件執行參數命令ge配合來達到將運算結果真1或假0利用將r0暫存再指定到c變數r3來儲存。,8-2.3 邏輯運算子 邏輯運算子有且、或、及非分用&、|、及!來表示。詳如下表：,“且”邏輯運算子的範例如下： 3 int a,b,c; 4 a=6; main 0xe3a01006 * mov r1,#6 5 b=2; 000080ac 0xe3a02002 mov r2,#2 6 c=a (main + 0x24) 000080c8 0xe3a00000 mov r0,#0 000080cc 0xe1a03000 mov r3,r0 在上面範例您有發現“且”具備捷徑Shortcut的功能，當變數a為假時則可以不需要考慮到變數b，此一作用我們稱為捷徑，若變數a為真時才需要測試變數b是否為真，當變數a及b都為真時，“且”關係運算子才會傳回真0，否則傳回假0。,8-2.4 指定運算子 指定運算子是用等號=來表示，要特別注意它具備指定的功能而非等於，它會把等號右側的常數值或變數值指定到等號左手邊的變數上。指定即為拷貝因此當指定運算子執行後，左側變數會等於右側計算後的結果，由於前面已使用過，在此不詳述。 8-2.5 增減運算子 增減運算子就是加1或減1分別使用+和來表示。,其範例反組譯程式列表如下： 3 int a,b; 4 b=a+; main 0xe1a02001 * mov r2,r1 000080ac 0xe2811001 add r1,r1,#1 5 b=+a; 000080b0 0xe2810001 add r0,r1,#1 000080b4 0xe1a01000 mov r1,r0 000080b8 0xe1a02000 mov r2,r0 6 b=a-; 000080bc 0xe1a02001 mov r2,r1 000080c0 0xe2411001 sub r1,r1,#1 7 b=-a; 000080c4 0xe2410001 sub r0,r1,#1 000080c8 0xe1a01000 mov r1,r0 000080cc 0xe1a02000 mov r2,r0,8-2.6 條件運算子 條件運算子是一個三元運算子，它以?和:來組成，其語法如下： exp1 ? exp2 : exp3 當exp1條件運算為真時，則傳回exp2運算值否則傳exp3運算值，其範例如下： a = 10; b = 15; x = (a b) ? a : b 在上面範例當變數a大於b時，則將變數x內容指定成a否則指定成b。其反組譯程式碼列表如下： 3 int a,b,c; 4 a=1; main 0xe3a01001 * mov r1,#1 5 b=2; 000080ac 0xe3a02002 mov r2,#2 6 c=(ab)?a:b; 000080b0 0xe1510002 cmp r1,r2 000080b4 0xda000001 ble 0x80c0 ; (main + 0x18) 000080b8 0xe1a00001 mov r0,r1 000080bc 0xea000000 b 0x80c4 ; (main + 0x1c) 000080c0 0xe1a00002 mov r0,r2 000080c4 0xe1a03000 mov r3,r0,8-2.7 位元運算子 位元運算子即為位元運算指令，有且、或、互斥、非、向右位移、及向左位移，用&、|、及來表示。詳如下表：,圖 8-1 顯示且位元運算子的運算結果，在圖中您可以發現且位元運算子&，使用and指令來組譯。當變數a和b分別指定為3和2時，再執行且位元運算式c=a&b後，變數c的結果為2，有興趣的讀者不妨把這些數值用二進位來表示，然後再執行且位元運算子&後，就可以得知為何是2。,圖8-1 且位元運算子執行結果,8-2.8 特殊運算子 最後我們來看特殊運算子，分列如下： 逗號運算子(comma operator) value = (x = 10, y = 5, x + y); 變數大小運算子(size of operator) sizeof m = sizeof (sum); 指標運算子(pointer operators) (& and *) 成員選取運算子(member selection operators) (. and -),8-3 全域變數和區域變數： 變數主要是用來讓程式設計者暫時存放數值的地方，當您有需要時可以將它取出或修改它。在C語言中變數可分成兩大類： 全域變數 宣告在程式開頭處即為函式外面，其範圍涵蓋所有函式。通常使用記憶體空間來存放。 區域變數 宣告在函式內部，都以是暫存器或堆疊來存放，其使用範圍僅限於函式內部。 以下為全域變數和區域變數的程式範例：,/採用全域變數 int a, b, c; int main() a=1; b=1; c = a+b; return 0; /採用區域變數 int main() int a, b, c; a=1; b=1; c = a+b; return 0; ,上面範例看起來程式長度一樣，但我們利用反組譯功能，您會發現多使用區域變數會提高程式的效能，其程式列表如下圖：,圖8-2 全域變數及區域變數效能比較,8-4 指標變數： 指標變數簡單來說是一種指位器，該變數儲存不是數值內容而是位址，我們可以使用*來宣告，使用如下： int *p; 在計算指標的大小時，可分成編譯階段得知或執行階段得知，編譯階段得知範例如下： int *p; p=p+1; 我們得知每次增加4位元組，因為指標的資料型態為整數佔四個位元組。但有些情形不易得知，例如： int *p; int i=4; p=p+i; 在此情形則需要執行階段才能獲知，則編譯器會使用ADD指令來處理。C語言最迷人地方在於它擁有指標功能，但也是它可怕的地方。圖8-3展示其可怕之處，從圖中您會得知指標居然指到位址0，而且我們把它改成1。從此您可以得知指標能修改記憶體的內容，但必須要非常小心，否則您會把重要的程式或資料給修改，造成不可預測的結果。,圖8-3 危險指標,圖8-4 指標一定要指向變數,圖8-4說明將變數指向變數，您會發現我們可以安全地變更p指標所指變數的內容，在圖中a變數為0xc000而p變數則為0xc004。,8-5 條件敍述： C語言條件敍述有if和switch兩種，if又可搭配else使用。if範例如下： if (ab) c=a; else c=b; 上述程式說明當ab條件成立時c變數指定為變數a的內容否則指定為變數b。當上面範例組譯成組合語言時，可以反組譯成下面： CMP r0,r1 ;if(ab) MOVGT r2,r0 ;c=a MOVLE r2,r1 ;else c=b 以下程式碼是C與組合語言混合寫法，詳細語法請參照8-8節。首先使用AXD模擬針對if.else的C語言程式碼如下，並進行C的反組譯如下圖8-5灰色字所示，執行結果，由於A小於B所以執行A加B的動作，結果在Global Variable 的值A等於9，B等於5。 int a=4,b=5; int Main(void) if (ab) L a=a-b; else a=a+b; return 0;,圖 8-5 if.else範例程式示意圖,接下來我們來看另一個敍述switch，其語法如下： switch (條件表示式) case 常數1: 敍述區塊1;break; case常數2: 敍述區塊2;break; case常數N: 敍述區塊N;break; default: 敍述區塊d;break; ARM在支援switch指令採用，有時會採取跳躍表格方式處理，利用一表格來儲存各常數值的目的地，其指令樣板如下： ;r0 包含條件表示式的數值 ADR r1,JUMPTABLE ;取得跳躍表格的基值 CMP r0,#TABLEMAX ;表格最大值 LDRLS pc,r1,r0,LSL#2 ;改變PC值來進行跳躍 B Exit L1: B Exit LN Exit ,以下程式碼是C與組合語言混合寫法，詳細語法請參照8-8節。首先使用AXD模擬針對switchcase 的C語言程式碼如下，並進行C的反組譯如下圖8-6灰色字所示，執行結果，由於B減A等於2，所以會執行case 2這段程式碼，B減A的動作，結果如下圖8-6在Global Variable 的值A等於2，B等於5。 int a=3,b=5; int Main(void) *9* switch (b-a) case 1:a=a+b;break; case 2:a=b-a;break; return 0; ,圖 8-6 switch.case範例程式示意圖,8-6 迴圈敍述： C語言支援三種迴圈敍述有for、while、dowhile。for範例如下： for (i=0;i10;i+) ai=0; 由於上面範例僅將陣列10個元素全數設定為零，因此在組譯成組合語言時，可以利用在迴圈外增加指令MOV r0,#0，來加速指令的執行，其反組譯為： MOV r1,#0 ADR r2,#a0 MOV r0,#0 ;i=0 LOOP CMP r0,#10 BGE Exit STR r1, r2,r0,LSL #2 ADD r0,r0,#1 B LOOP Exit,以下程式碼是C與組合語言混合寫法，詳細語法請參照8-8節。首先使用AXD模擬針對for next的C語言程式碼如下，並進行C的反組譯如下圖8-7灰色字所示，執行結果，由於I小5，所以會執行A=A+I這段程式碼5次，執行過程0+1+2+3+4，所以A會一直累加I的值，結果如下圖8-7在Global Variable的值A等於10，I等於5。 int i,a; int Main(void) a=0; for (i=0;i5;i+) a=a+i; return 0; ,圖 8-7 fornext範例程式示意圖,對於while迴圈則較簡單，可以使用下列組合語言程式來表示： LOOP ;插入條件判斷的指定 BEQ exit 迴圈本體 B LOOP Exit 以下程式碼是C與組合語言混合寫法，詳細語法請參照8-8節。首先使用AXD模擬針對while的C語言程式碼如下並進行C的反組譯如下圖8-8灰色字所示，執行結果，由於I小5，所以會執行while這段程式碼會詢問6次，執行結果為1+2+3+4+5，而詢問第六次時，就會跳開while迴圈，而A會一直累加I的值，所以結果如下圖在Global Variable的值A等於15，I等於5。 int i,a; int Main(void) a=0,i=0; while (i5) i=i+1; a=a+i; return 0; ,圖 8-8 while範例程式示意圖,對於dowhile迴圈則較簡單，可以使用下列組合語言程式來表示： LOOP ;插入迴圈本體程式 ;插入條件判斷的指定 BNE LOOP 以下程式碼是C與組合語言混合寫法，詳細語法請參照8-8節。首先使用AXD模擬針對do.while的C語言程式碼如下，並進行C的反組譯如下圖8-9灰色字所示，執行結果，由於I小5，所以會執行dowhile這段程式碼只會執行5次，執行結果為1+2+3+4+5，而詢問第5次時，就會直接跳開do.while迴圈，而A會一直累加I的值，所以結果如下圖8-9在Global Variable的值A等於15，I等於5。 int i,a; int Main(void) a=0,i=0; do i=i+1; a=a+i; while (i5) ; return 0; ,圖 8-9 do.while範例程式示意圖,8-7 程式呼叫標準： ARM支援一套程式呼叫的標準（ARM Procedure Call Standard），簡稱為APCS。APCS 定義下列內容： 一般暫存器的特殊使用 堆疊指標的使用 堆疊的資料格式 函式參數傳遞和傳值格式 支援ARM共用函式庫,其參數使用暫存器如下表所示：,圖8-10 傳值呼叫範例執行結果,在使用函式時，經常會利用參數來傳遞數值，最常見的就是傳值呼叫（Call by Vakue）及傳址呼叫（Call by Address），其範例如圖8-10和8-11所示。讀者請特別注意兩者在使用上的差異，它們之間的差別在於是否使用指標。,圖8-11 傳址呼叫範例執行結果,上面兩個範例，相信您已發現在Console的視窗，其執行結果不同，傳值呼叫不會改變主程式的變數值然而傳址呼叫會。接下來我們來看看函式指標如圖8-7所示，原來指標不是只用來指向資料變數，也可以用來指向函數本體。您可經過下列三步驟，即可輕輕鬆鬆地使用函式指標，我們以指向swap函式當成範例。 步驟一、宣告函式指標。 void *(pFn) (int a, int b); 步驟二、指定函式。 pFn = ,圖8-12 函式指標範例執行結果,上面函式的反組譯程式列表如下： int main() main 0xe92d400e * stmfd r13!,r1-r3,r14 int a=1,b=2; 000080c0 0xe3a01001 mov r1,#1 000080c4 0xe58d1008 str r1,r13,#8 000080c8 0xe3a02002 mov r2,#2 000080cc 0xe58d2004 str r2,r13,#4 void (*pFn)(int *a, int *b); pFn= 000080d8 0xe28d1004 add r1,r13,#4 000080dc 0xe28d0008 add r0,r13,#8 000080e0 0xebfffff0 bl swap,printf (“a=%d, b=%dn“,a,b); 000080e4 0xe28f0010 add r0,pc,#0x10 ; #0x80fc 000080e8 0xe59d1008 ldr r1,r13,#8 000080ec 0xe59d2004 ldr r2,r13,#4 000080f0 0xeb000006 bl _printf return 0; 000080f4 0xe3a00000 mov r0,#0 000080f8 0xe8bd800e ldmfd r13!,r1-r3,pc 000080fc 0x64253d61 dcd 0x64253d61 a=%d 00008100 0x3d62202c dcd 0x3d62202c , b= 0x000a6425 dcd 0x000a6425 %d 雖然函式指標是C語言的特色，而且具備強大的功能，但當您看過反組譯程式後，您會發現在這個強大功能的背後，原來是使用ADD以及BL指令來完成，ADD指令用來取得傳址的位址，而BL指令則是用來呼叫副程式。若能善用指令的相互搭配就能創造迷人的功能，利用ADD及BL指令來設計函式指標的功能，就是一個明顯的例子。,8-8 C與組合語言的混合撰寫設計： 在應用系統的程式設計中，若所有的編寫程式任務均用組合語言來完成，其工作量是可想而知的，同時，不利於系統升級或應用軟體移植，事實上，ARM體系結構支援C/C以及與組合語言的混合編寫程式，在一個完整的程式設計的中，除了初始化部分用組合語言完成以外，其主要的編寫程式任務一般都用C 完成。 組合語言與C的混合編寫程式通常有以下幾種方式： 在C程式碼中嵌入編譯指令。 在組合語言程式和C的程式之間進行變數的互傳。 組合語