有時候我們希望在C/C++代碼中使用嵌入式匯編，因為C中沒有對應的函數或語法可用。比如我最近在ARM上寫FIR程序時，需要對最后的結果進行飽和處理，但gcc沒有提供ssat這樣的函數，于是不得不在C代碼中嵌入匯編指令。

1. 入門

在C中嵌入匯編的最大問題是如何將C語言變量與指令操作數相關聯。當然，gcc都幫我們想好了。下面是是一個簡單例子。

asm(“fsinx %1, %0”:”=f”(result):”f”(angle));

這里我們不需要關注fsinx指令是干啥的；只需要知道這條指令需要兩個浮點寄存器作為操作數。作為專職處理C語言的gcc編譯器，它是沒辦法知道fsinx這條匯編指令需要什么樣的操作數的，這就要求程序猿告知gcc相關信息，方法就是指令后面的”=f”和”f”，表示這是兩個浮點寄存器操作數。這被稱為操作數規則（constraint）。規則前面加上”=”表示這是一個輸出操作數，否則是輸入操作數。constraint后面括號內的是與該寄存器關聯的變量。這樣gcc就知道如何將這條嵌入式匯編語句轉成實際的匯編指令了：

fsinx：匯編指令名

%1, %0：匯編指令操作數

“=f”(result)：操作數%0是一個浮點寄存器，與變量result關聯（對輸出操作數，“關聯”的意思就是說gcc執行完這條匯編指令后會把寄存器%0的內容送到變量result中）

“f”(angle)：操作數%1是一個浮點寄存器，與變量angle關聯（對輸入操作數，“關聯”的意思是就是說gcc執行這條匯編指令前會先將變量angle的值讀取到寄存器%1中）

因此這條嵌入式匯編會轉換為至少三條匯編指令（非優化）：

將angle變量的值加載到寄存器%1

fsinx匯編指令，源寄存器%1，目標寄存器%0

將寄存器%0的值存儲到變量result

當然，在高優化級別下上面的敘述可能不適用；比如源操作數可能本來就已經在某個浮點寄存器中了。

這里我們也看到constraint前加”=”符號的意義：gcc需要知道這個操作數是在執行嵌入匯編前從變量加載到寄存器，還是在執行后從寄存器存儲到變量中。

常用的constraints有以下幾個（更多細節參見gcc手冊）：

m 內存操作數

r 寄存器操作數

i 立即數操作數（整數）

f 浮點寄存器操作數

F 立即數操作數（浮點）

從這個栗子也可以看出嵌入式匯編的基本格式：

asm(“匯編指令”:”=輸出操作數規則”(關聯變量):”輸入操作數規則”(關聯變量));

輸出操作數必須為左值；這個顯然。

2. 多個操作數，或沒有輸出操作數

如果某個指令有多個輸入或輸出操作數怎么辦？例如arm有很多指令是三操作數指令。這個時候用逗號分隔多個規則：

asm(“add %0, %1, %2”:”=r”(sum):”r”(a), “r”(b));

每條操作數規則按順序對應操作數%0, %1, %2。

對于沒有輸出操作數的情況，在匯編指令后就沒有輸出規則，于是就出現兩個連續冒號，后跟輸入規則。

3. 輸入-輸出（或讀-寫）操作數

有時候一個操作數既是輸入又是輸出，比如x86下的這條指令：

add %eax, %ebx

注意指令使用AT&T格式而不是Intel格式。寄存器ebx同時作為輸入操作數和輸出操作數。對這樣的操作數，在規則前使用”+”字符：

asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b));

對應C語言語句a=a+b。

注意這樣的操作數不能使用”=”符號，因為gcc看到”=”符號會認為這是一個單輸出操作數，于是在將嵌入匯編轉換為真正匯編的時候就不會預先將變量a的值加載到寄存器%0中。

另一個辦法是將讀-寫操作數在邏輯上拆分為兩個操作數：

asm(“add %2, %0” : “=r”(a) : “0”(a), “r”(b));

對“邏輯”輸入操作數1指定數字規則”0”，表示這個邏輯操作數占用和操作數0一樣的“位置”（占用同一個寄存器）。這種方法的特點是可以將兩個“邏輯”操作數關聯到兩個不同的C語言變量上：

asm("add %2, %0" : "=r"(c) : "0"(a), "r"(b));

對應于C程序語句c=a+b。

數字規則僅能用于輸入操作數，且必須引用到輸出操作數。拿上例來說，數字規則”0”位于輸入規則段，且引用到輸出操作數0，該數字規則自身占用操作數計數1。

這里要注意，通過同名C語言變量是無法保證兩個操作數占用同一“位置”的。比如下面這樣的寫法是不行的:

（錯誤寫法）asm(“add %2, %0”:”=r”(a):”r”(a), “r”(b));

4. 指定寄存器

有時候我們需要在指令中使用指定的寄存器；典型的栗子是系統調用，必須將系統調用碼和參數放在指定寄存器中。為了達到這個目的，我們要在聲明變量時使用擴展語法：

register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1

register int b asm(“%ebx”) = 2; // statement 2

asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b)); // statement 3

注意只有在執行匯編指令時能確定a在eax中，b在ebx中，其他時候a和b的存放位置是不可知的。

另外，在這么用的時候要注意，防止statement 2在執行時覆蓋了eax。例如statement 2改成下面這句：

register int b asm(“%ebx”) = func();

函數調用約定會將func()的返回值放在eax里，于是破壞了statement 1對a的賦值。這個時候可以先用一條語句將func返回值放在臨時變量里：

int t = func();

register int a asm(“%eax”) = 1; // statement 1

register int b asm(“%ebx”) = t; // statement 2

asm("add %1, %0" : "+r"(a) : "r"(b)); // statement 3

5. 隱式改變寄存器

有的匯編指令會隱含修改一些不在指令操作數中的寄存器，為了讓gcc知道這個情況，將隱式改變寄存器規則列在輸入規則之后。下面是VAX機上的栗子：

asm volatile(“movc3 %0,%1,%2”

: /* no outputs */

:”g”(from),”g”(to),”g”(count)

:”r0”,”r1”,”r2”,”r3”,”r4”,”r5”);

（movc3是一條字符塊移動（Move characters）指令）

這里要注意的是輸入/輸出規則中列出的寄存器不能和隱含改變規則中的寄存器有交叉。比如在上面的栗子里，規則“g”中就不能包含r0-r5。以指定寄存器語法聲明的變量，所占用的寄存器也不能和隱含改變規則有交叉。這個應該好理解：隱含改變規則是告訴gcc有額外的寄存器需要照顧，自然不能和輸入/輸出寄存器有交集。

另外，如果你在指令里顯式指定某個寄存器，那么這個寄存器也必須列在隱式改變規則之中（有點繞了哈）。上面我們說過gcc自身是不了解匯編指令的，所以你在指令中顯式指定的寄存器，對gcc來說是隱式的，因此必須包含在隱式規則之中。另外，指令中的顯式寄存器前需要一個額外的%，比如%%eax。

6. volatile

asm volatile通知gcc你的匯編指令有side effect，千萬不要給優化沒了，比如上面的栗子。

如果你的指令只是做些計算，那么不需要volatile，讓gcc可以優化它；除此以外，無腦給每個asm加上volatile或者是個好辦法。