高级CGNU C/C++ 内联汇编——进阶——约束详解

Posted 2022-03-04 从善若水

本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

文章目录

• GNU C/C++ 内联汇编——进阶——约束详解
• • ASM 操作码的 constraints
  • • Simple Constraints ——Basic use of constraints
    • Multiple Alternative Constraints
    • Constraint Modifier Characters——更精确地控制 Constraints 的影响
  • Special constraints for some particular machines
  • • AArch64 family
    • x86 family
• 文章链接

GNU C/C++ 内联汇编——进阶——约束详解

ASM 操作码的 constraints

Simple Constraints ——Basic use of constraints

最简单的约束是一个由字母组成的字符串，每个字母描述一种允许的操作数，以下是允许的字母：

Constraints	含义
空格	空白字符将被忽略，可以插入除第一个位置以外的任何位置。这使得不同操作数的每个选项在机器描述中对齐，即使它们有不同数量的约束和修饰符。
‘m’	允许内存操作数，它可以是计算机支持的任何类型的地址。注意，用于通用内存约束的字母可以由后端使用TARGET_MEM_CONSTRAINT宏重新定义。
‘o’	允许使用内存运算对象，但仅当该地址是可偏移的（offsettable）。这意味着可以向地址添加一个小整数(实际上是操作数的字节宽度，由其机器模式决定)，结果也是一个有效的内存地址。 例如，一个常量地址是可偏移的;一个寄存器和一个常量之和的地址(只要一个稍大的常量也在机器支持的地址偏移量范围内)也是一样的;但自动递增或自动递减地址是不可偏移的。更复杂的间接/索引地址可以偏移，也可以不偏移，这取决于机器支持的其它寻址模式。 请注意，在一个可以被另一个操作数匹配的输出操作数中，约束字母’ o ‘只有在同时伴有’ < ‘(如果目标机器有前任寻址)和’ > '(如果目标机器有前增量寻址)时才有效。
‘V’	一种不可偏移的内存运算对象。换句话说，任何符合m约束但不符合o约束的东西。
‘<’	允许具有自减法寻址的内存操作数(无论是前置或后置减法)。在内联asm中，只有当操作数在可以处理副作用的指令中恰好使用一次时，才允许此约束。在inline asm模式的约束字符串中不使用带有’ < '的操作数或在多个指令中使用它是无效的，因为副作用不会被执行或将被执行不止一次。
‘>’	允许使用具有自动递增寻址(前置递增或后置递增)的内存运算对象。在inline asm中，应用与’ < '相同的限制。
‘r’	允许在通用寄存器中使用寄存器运算对象。
‘i’	允许使用立即整型操作数(具有常值的操作数)。这包括其值只有在汇编时或以后才知道的符号常量。
‘n’	允许具有已知数值的立即整数操作数。许多系统不能为小于一个字宽的操作数支持汇编时常量。这些操作数的约束应该使用’ n ‘而不是’ i '。
‘I’, ‘J’, ‘K’, … ‘P’	在’ I ‘到’ P ‘范围内的其他字母可以以一种依赖于机器的方式定义，以允许在指定范围内具有明确整数值的整数操作。例如，在68000上，’ I '被定义为表示值1到8的范围。这是移位指令中允许作为移位计数的范围。
‘E’	允许立即浮点操作数 (表达式代码const_double)，但前提是目标浮点数格式与运行编译器的主机的格式相同。
‘F’	允许立即浮点操作数 (表达式代码const_double或const_vector)。
‘G’, ‘H’	’ G ‘和’ H '可以以一种依赖于机器的方式定义，以允许特定值范围内的直接浮点运算对象。
‘s’	允许一个值不明确的立即整数操作数。 这可能看起来很奇怪，如果 insn（指令） 允许常量操作数的值在编译时未知，那么它肯定允许任何已知值。那么为什么要用 ‘s’ 而不是 ‘I’ 呢？因为，有时它可以生成更好的代码。 例如，在68000的全字指令中，可以使用一个立即操作数；但是，如果当前值介于-128和127之间，那么将该值加载到寄存器并使用寄存器可以得到更好的代码。这是因为载入寄存器可以通过 ’ moveq ’ 指令完成。我们将字母 ‘K’ 定义为 “-128到127范围外的任何整数” ，然后在操作数约束中指定 ‘Ks’ 。
‘g’	任何通用寄存器、内存、立即整数 的操作数都被允许。
‘X’	任何操作数都是允许的。
‘0’, ‘1’, ‘2’, … ‘9’	允许匹配指定操作数的操作数。如果一个数字和同一个选项中的字母一起使用，这个数字应该放在最后。 这个数字个数允许大于一个数字。如果连续遇到多个数字，则将它们解释为一个十进制整数。不太可能产生歧义，因为到目前为止，将’ 10 '解释为匹配操作数1或操作数0都是不可取的。如果需要这样做，可以使用多个替代方案。 这被称为匹配约束（matching constrain），它的真正含义是，汇编程序只有一个操作数来填充asm区分的两个角色（在输出中分配与相应输入中相同的寄存器）。例如，加法指令使用两个输入操作数和一个输出操作数，但在大多数CISC机器上，加法指令实际上只有两个操作数，其中一个是输入-输出操作数： addl #35,r12
‘p’	允许一个有效的内存地址的操作数。用于“load address” and “push address”指令。 约束中的’ p '必须和 address_operand一起使用，作为match_operand中的谓词。这个谓词将match_operand中指定的模式转换为有效地址下的内存引用（memory reference）模式。
other-letters	其他字母可以以机器相关的方式定义，以代表特定的寄存器类或其他任意操作数类型。’ d '， ’ a ‘和’ f '是在68000/68020上定义的，代表数据、地址和浮点寄存器。

Multiple Alternative Constraints

       有时一条指令有多个可选的操作数集。例如，在68000上，一条 logical-or 指令可以将寄存器或立即数存入到内存中，也可以将任何类型的操作数存入寄存器中，但它不能将一个值从memory location 存入到另一个memory location。

       这些约束被表示为多个选项。可选方案可以用每个操作数的一系列字母来描述。操作数的总体约束是由第一个选项中的这个操作数的字母构成的，然后逗号开始第二个可选项的描述，以此类推，直到最后一个选项。一条指令的所有操作数必须有相同数量的可选操作。

       所以，68000的 logical-or 第一种方式可以写成 “+m” (output) : “ir” (input)。第二个可以是 “+r” (output): “irm” (input)。因为两个内存位置不能在一条指令中使用，所以不能写成 “+rm” (output) : “irm” (input)。使用多个选项，可以写成 “+m,r” (output) : “ir,irm” (input)。给编译器提供所有可选的方案，有助于编译器根据当前环境选择最高效的实现方案。

       在模板中没有办法确定选择了哪个选项。然而，你可以用 __builtin_constant_p 这样的内置函数来包装你的asm语句，以达到预期的结果。

Constraint Modifier Characters——更精确地控制 Constraints 的影响

以下是约束修饰符字符：

Modifier	含义
‘=’	这个操作数被这条指令写入，先前的值被丢弃并被新数据替换。在有多个选项的约束中，必须在第一个选项中添加“=”约束修饰符，之后的其它选项会有同样的效果，且不允许再添加“=”约束修饰符。
‘+’	这个操作数同时被指令读写。 当编译器修复操作数以满足约束时，它需要知道哪些操作数被指令读取，哪些操作数被指令写入。’ = ‘标识一个只被写入的操作数;’ + '标识可读可写的操作数。所有其它操作数都假定只被读取。 如果在约束中指定 ’ = ’ 或 ’ + ’ ，则将其放在约束字符串的第一个字符中。在有多个选项的约束中，必须在第一个选项中添加“+”约束修饰符，之后的其它选项会有同样的效果，且不允许再添加“+”约束修饰符。
‘&’	这个操作数是一个 early-clobber 操作数，它在指令使用输入操作数之前被写入了值。因此，这个操作数不能位于被指令读取的寄存器中，也不能位于作为任何内存地址组成部分的寄存器中。 在有多个选项的约束中，有时一个选项需要’ & ‘，而其他选项则不需要。例如，看68000的“movdf” insn。有多个选项的约束‘&’仅仅对包含有‘&’的那个约束起作用，其它没有‘&’的约束不受影响。 如果一个被指令读取的操作数在写入早期结果之前仅作为一个输入，则可以将其绑定到early-clobber操作数。当只有部分读操作数会受到early-clobber的影响时，这种方法通常可以让GCC生成更好的代码。例如，ARM的’ mulsi3 ’ 指令。 此外，如果early-clobber操作数也是一个读/写操作数，则该操作数只有在被使用后才被写入。 ’ & ‘通常与’ = ‘或’ + '一起使用。由于early-clobber操作数总是被写入，只读的early-clobber操作数是病态的，将被编译器拒绝。
‘%’	声明这个操作数可以和下一个操作数互换。这意味着在生成指令时，这个操作数和下一个操作数的顺序可以互换。此修饰符只能用于输入操作数，而且不能在最后一个操作数上。’ % ’ 会应用到所有的可选约束中，并且必须以第一个字符的形式出现在约束中。 例如，asm(" fadd %0, %1, %2" : “=f” © : “%f” (a), “f” (b) ); 这个asm计算操作数a和b的和，并将结果写入操作数c。%修饰符表示，如果编译器可以通过交换操作数a和b生成更好的代码，那么可以交换操作数a和b。 GCC只能处理asm中的一个交换对。如果使用多个 ‘%’，编译器可能会报告错误。注意，如果两个约束选项完全相同，则不需要使用修饰符，这只会在重载过程中浪费时间。

Special constraints for some particular machines

AArch64 family

Special constraints	含义
k	堆栈指针寄存器(SP)
w	浮点寄存器，高级SIMD向量寄存器或SVE向量寄存器
x	像w，但限制寄存器0到15(含15)。
y	像w，但限制寄存器0到7(包括7)。
Upl	低8个SVE谓词寄存器之一(P0到P7)
Upa	任何一个SVE谓词寄存器(P0到P15）
I	整型常量，在ADD指令中作为立即操作数有效
J	在 SUB 指令中作为立即操作数有效的整型常量
K	可与32位逻辑指令一起使用的整型常量
L	可以与64位逻辑指令一起使用的整型常量
M	整型常量，在32位MOV伪指令中作为立即操作数有效。根据值的不同，MOV可以被汇编成几个不同的机器指令
N	整型常量，在64位MOV伪指令中作为立即操作数有效
S	绝对符号地址或标签引用
Y	浮点常数零
Z	整数常数为零
Ush	pc相对地址的高部分(第12位及以上)（4GB的内存）
Q	一种使用单一基寄存器而没有偏移量的内存地址
Ump	一种内存地址，适用于SI、DI、SF和DF模式下的 load/store 指令对。

x86 family

Special constraints	含义
R	遗留寄存器-在所有i386处理器上可用的8个整数寄存器(a, b, c, d, si, di, bp, sp)。
q	任何可以访问rl（register low）的寄存器。32位模式下，a、b、c、d；在64位模式下，任何整数寄存器。
Q	任何可访问rh（register high）的寄存器； a, b, c和d寄存器。
a	寄存器 a
b	寄存器 b
c	寄存器 c
d	寄存器 d
S	si 寄存器
D	di 寄存器
A	a和d寄存器。用于将双字（double word）结果返回在 ax:dx 寄存器的指令。返回单个字（single word）的值将以ax或dx的形式分配。例如在i386上实现rdtsc: unsigned long long rdtsc (void) unsigned long long tick; __asm__ __volatile__(“rdtsc”:"=A"(tick)); return tick; 这在x86-64上是不正确的，因为它将在ax或dx中分配tick。你必须使用下面的变量代替: unsigned long long rdtsc (void) unsigned int tickl, tickh; __asm__ __volatile__(“rdtsc”:"=a"(tickl),"=d"(tickh)); return ((unsigned long long)tickh << 32)|tickl;
U	call-clobbered 整数寄存器
f	任何80387浮点(堆栈)寄存器
t	80387浮点堆栈(%st(0))的栈顶
u	从80387浮点堆栈(%st(1))顶部开始的第二位
y	任何MMX寄存器
x	任何SSE寄存器
v	任何EVEX可编码的SSE寄存器(%xmm0-%xmm31)
Yz	第一个SSE寄存器(%xmm0)
I	范围在0…31的整数常量，用于一个32位的移位操作
J	范围在0…63的整数常量，用于一个64位的移位操作
K	带符号的8位整数常量
L	0xFF或0xFFFF
M	0, 1, 2，或3 (lea指令的偏移)
N	无符号8位整数常量(用于 in 和 out 指令)
G	标准80387浮点常量
C	SSE常数零操作数
e	32位有符号整型常量，或已知适合该范围的符号引用(用于符号扩展的x86-64指令中的立即操作数)。
We	32位有符号整型常量，或一个已知适合该范围的符号引用(用于需要 non-VOIDmode 立即操作数的符号扩展转换操作)
Wz	32位无符号整型常量，或一个已知适合该范围的符号引用(用于需要 non-VOIDmode 立即操作数的符号扩展转换操作)
Wd	128位整数常量，其中高64位和低64位字都满足e约束
Z	32位无符号整型常量，或一个已知适合该范围的符号引用(用于零扩展的x86-64 立即操作数)
Tv	VSIB地址操作数
Ts	没有段寄存器的地址操作数

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文章链接

《GNU C/C++ 内联汇编编程指南全集》
《GNU C/C++ 内联汇编——入门级》
《GNU C/C++ 内联汇编——进阶——语法详解》
《GNU C/C++ 内联汇编——进阶——约束详解》
《GNU C/C++ 内联汇编——补充介绍》
《GNU C/C++ 内联汇编——实例参考》
《GNU C/C++ 内联汇编——Intel与ATT汇编语法对比》

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