By 宋宝华 / 本系列文章交流与讨论:@宋宝华Barry
设备驱动程序有时需要用汇编实现一些代码片断，因此让我们看看Linux上汇编编程的不同特性。
图A.1显示了Linux在PC兼容系统上的引导顺序，是第2章“内核一瞥”中图2.1的缩减版。图中的固件组件是用不同的汇编语法实现的：
· BIOS通常全部用汇编编写。一些流行的PC BIOS使用像Microsoft Macro Assembler （MASM）这样的汇编来编码。
· Linux 引导程序，像LILO和GRUB用C与汇编混合编写。SYSLINUX引导程序整个用Netwide Assembler（NASM）汇编编写。
· 实模式的Linux启动代码使用GNU汇编器（GAS）编码。
· 保护模式的BIOS调用用内联汇编编写。内联汇编是GCC支持的结构，在C语句之间插入汇编。
图 A.1. 固件组件与汇编语法
在图A.1中，上面的两个组件通常遵守基于Intel的汇编语法，而下面的两个用AR&T（或GAS）语法来编码。也有一些例外，GRUB的汇编部分就使用GAS。
为了演示这两种语法之间的差异，考虑如下输出一个字节到并口的代码。在BIOS或引导程序所使用的Intel格式中，你将会编写代码：
mov dx, 03BCh ;0x3BC is the I/O address of the parallel port mov al, 0ABh ;0xAB is the data to be output out dx, al ;Send data to the parallel port
然而，如果你想从Linux实模式启动代码中完成同样的工作，你将需要编写如下代码：
movw $0x3BC, %dx movb $0xAB, %al outb %al, %dx
你会发现，不像Intel格式，在AT&T语法中，首先出现的是源操作数，目的操作数在其后。AT&T格式中的寄存器名字由%开始，立即数用$开始。AT&T的操作码为了指定内存操作数的宽度，都带有后缀如b（针对字节）和w（针对字）；而Intel语法中通过查看操作数而不是操作码来实现此目的。在Intel语法中，为了移动指针引用，你需要为操作数指定前缀，如byte ptr。
学习AT&T语法的益处是它被GAS和内联GCC所支持，而GAS和GCC不仅运行于基于Intel的系统上，也运行于各种处理器架构。
下面，让我们使用GCC内联汇编重写前面的代码片断，它是你在保护模式的内核将要用到的：
unsigned short port = 0x3BC;
unsigned char data = 0xAB;
asm("outb %%al, %%dx\n\t"
:
: "a" (data), "d" (port)
);
GCC支持的汇编格式通常如下:
asm(assembly : output operand constraints : input operand constraints : clobbered operand specifier );
在操作数项，a，b，c，d，S和D分别代表EAX，EBX，ECX，EDX，ESI和EDI寄存器。输入操作数constraint用于在执行汇编指令之前，将数据从提供的变量里拷贝至寄存器。关于GCC内联汇编语法的细节请查看GCC 内联汇编指南（www.ibiblio.org/gferg/ldp/GCC-Inline-Assembly-HOWTO.html）。
在我们的例子中，唯一用到的constraint是针对输入操作数的。此约束有效地拷贝data的值至AL寄存器，以及port的值至DX寄存器。在内联汇编中，寄存器名由%%开始，因为%被用于指定提供的操作数。%i代表第i个操作数，因此，在前面的例子内联汇编代码片断中，如果你想指定data和port，可以分别使用%0和%1。
为了对内联汇编转换有更清晰的了解，让我们看看对应于前面的内联汇编片断、通过提供-s命令行参数给GCC，由编译器产生的汇编代码。为了理解，请阅读针对产生的每行代码的注释：
movw $956, -2(%ebp) # Value of data in stack set to 0x3BC movb $-85, -3(%ebp) # Value of port in stack set to 0xAB movb -3(%ebp), %al # movb 0xAB, %al movw -2(%ebp), %dx # movw 0x3BC, %dx #APP # Marker to note start of inline assembly outb %al, %dx # Write to parallel port #NO_APP # Marker to note end of inline assembly
你也可以在用户模式的程序中使用内联汇编。下面是用内联汇编编写的一个应用程序，调用syslog()系统调用以从内核的printk()的环形缓冲区中读取最后的128字节：
#define READ_COMMAND 3 /* First argument to
syslog() system call */
#define MSG_LENGTH 128 /* Third argument to syslog() */
int
main(int argc, char *argv[])
{
int syslog_command = READ_COMMAND;
int bytes_to_read = MSG_LENGTH;
int retval;
char buffer[MSG_LENGTH]; /* Second argument to syslog() */
asm volatile(
"movl %1, %%ebx\n" /* READ_COMMAND */
"movl %2, %%ecx\n" /* buffer */
"movl %3, %%edx\n" /* bytes_to_read */
"movl $103, %%eax\n" /* __NR_syslog */
"int $128\n" /* Generate System Call */
"movl %%eax, %0" /* retval */
:"=r" (retval)
:"m"(syslog_command),"r"(buffer),"m"(bytes_to_read)
:"%eax","%ebx","%ecx","%edx");
if (retval > 0) printf("%s\n", buffer);
}
正如在第4章“打下基础”中所学到的，int $128（或者int 0x80）指令产生一个软中断，陷入系统调用。由于系统调用导致从用户模式至内核模式的转换，故函数参数未传入用户或内核堆栈中，而是在CPU寄存器中。此系统调用号（在include/asm-your-arch/unistd.h中有完整列表）存储在EAX寄存器中。对于syslog()系统调用，调用号是103。如果查看syslog()的参考页，将会发现它需要三个参数：命令，存放返回数据的缓冲区的地址，以及缓冲区的长度。这些分别通过EBX、ECX和EAX来传递。返回值被从EAX传递至retval。此内联汇编调用被转换为如下语句：
retval = syslog(syslog_command, buffer, bytes_to_read);
如果你编译并运行此代码，将会看到如下从内核的环形缓冲区中获取的输出：
0:0:0:0: Attached scsi removable disk sda <5>sd 0:0:0:0: Attached scsi generic sg0 type 0 <7>usb-storage: device scan complete ...
arch/x86/kernel/entry_32.S中的所有内核系统调用trap会保存所有的寄存器内容至堆栈，因此 ，即使用户空间的代码使用CPU寄存器来传递参数，实际上系统调用处理函数还是从堆栈中取其参数，。为了确保系统调用例程预期的参数在堆栈中，都用GCC属性asmlinkage进行标记。需要注意的是asmlinkage与asm（或__asm__）没有任何关系，后者用于声明内联汇编。
让我们通过演示一个内联汇编的例子来结束本节，此例子修改自基于PowerPC的电路板的Linux引导程序。假设此电路板上的flash存储器不支持背景操作（BackGround Operation，BGO）。这意味此引导程序代码从flash执行时，不能写入flash；但有时这是必须的，例如如果引导程序需要更新内核映象，而此映象存放于flash的另一部分。一个解决方案是修改引导程序，以便用于写入和擦除flash的引导代码完全从指令cache（I-cache）中执行，而数据段放入数据cache（D-cache）中。示例用的GCC内联汇编编写的宏用于完成将必要的引导程序指令搬入I-cache的工作。为了理解此代码片断，你需要有一定的PowerPC汇编知识：
/* instr_length is the number of instructions to touch
into I-cache. _load_i$_copy and _end_i$_copy are
program labels */
#define load_into_icache_copy(instr_length) \
asm volatile("lis %%r3, 0x1@h\n \
ori %%r3, %%r3, 0x1@l\n \
mticcr %%r3\n \
isync\n \
\n \
lis %%r6, _end_i$_copy@h\n \
ori %%r6, %%r6, _end_i$_copy@l\n \
icbt %%r0, %%r6\n \
lis %%r4, %0@h\n \
ori %%r4, %%r4, %0@l\n \
mtctr %%r4\n \
_load_i$_copy: \
addis %%r6, %%r6, 32@ha\n \
addi %%r6, %%r6, 32@l\n \
icbt %%r0, %%r6\n \
bdnz _load_i$_copy\n \
_end_i$_copy: \
nop\n" \
: \
: "i"(instr_length) \
:"%r6","%r4","%r0","r8","r9");
调试
为了调试实模式内核，不能使用我们在第21章“调试设备驱动”中所讨论、使用过的调试器，如kdb或kgdb。调试内核汇编片断的便捷方式是将代码转换为Intel类型的语法后，使用DOS调试工具。但调试器是在16位时代编写的，因此，不能调试32位的代码，例如不能调试初始化EAX寄存器的代码。从Internet上可以下载一些32位的免费调试器。第21章所讨论的JTAG调试器是万金油，因为这一工具可用于调试BIOS，引导程序，Linux实模式代码，以及内核与BIOS之间的交互。