임베디드 시스템 엔지니어를 위한 리눅스 커널 분석
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C.1. 인라인 어셈블리 기초

C.1.1. 알아야할 것 들

인라인 어셈블리를 사용할 땐 다음과 같은 것을 명시해 줘야한다. 물론 빼고 사용할 수도 있다.

그리고 사용되는 문법의 형태는 다음과 같다. 

__asm__ __volatile__ (asms : output : input : clobber);

__asm__

다음에 나오는 것이 인라인 어셈블리 임을 나타낸다. ANSI엔 __asm__ 으로만 정으되어 있으므로 asm 과 같은 키워드는 사용하지 않는 것이 바람직하다.

__volatile__

이 키워드를 사용하면 컴파일러는 프로그래머가 입력한 그래도 남겨두게 된다. 즉 최적화 나 위치를 옮기는 등의 일을 하지 않는다. 예를 들어 output 변수중 하나가 인라인 어셈블리엔 명시되어 있지만 다른 곳에서 사용되지 않는다고 판단되면 컴파일러는 이 변수를 알아서 잘 없애주기도 한다. 이런 경우 이런 것을 고려해 프로그램을 짰다면 상관 없겠지만 만에 하나 컴파일러가 자동으로 해준 일 때문에 버그가 발생할 수도 있다. 그러므로 __volatile__ 키워드를 사용해 주는 것이 좋다.

asms

따옴표로 둘러싸인 어셈블리 코드. 코드 내에서는 %x과 같은 형태로 input, output 파라미터를 사용할 수 있으며 컴파일 하면 파라미터가 치환된 대로 어셈블리 코드로 나타난다.

output

변수들을 적어 주고 각각은 쉼표고 구분된다. 결과 값을 출력하는 변수를 적는다.

input

output과 같은 방식으로 사용하고 인라인 어셈블리 코드에 넘겨주는 파라미터를 적는다.

clobber

output, input에 명시되어 있진 않지만 asms를 실행해서 값이 변하는 것을 적어 준다. 각 변수는 쉼표로 구분되고 각각을 따옴표로 감싸준다.

asms는 반드시 있어야하지만 output, input, clobber는 각각 없을 수도 있다. 만약 clobber가 없는 경우 라면 clobber와 바로 앞의 콜론(:)을 같이 쓰지 않아도 된다. 마찬가지로 input, clobber가 없다면 output까지만 쓰면 된다.

그러나 output, clobber는 있고 input이 없는 경우엔 다음과 같이 input 만을 제외한 나머지는 반드시 써줘야한다. 

__asm__ __volatile__ (asms : output : : clobber);

중간에 있는 것이 없는 경우엔 해당 항목만을 없애고 콜론은 그대로 내버려둬야 다음 필드가 어떤 것을 의미하는지 나타내게 된다.

인라인 어셈블리가 사용된 예를 들어보자. include/asm-i386/bitops.h에 정의되어 있는 함수다. 

/**
 * test_and_set_bit - Set a bit and return its old value
 * @nr: Bit to set
 * @addr: Address to count from
 *
 * This operation is atomic and cannot be reordered.  
 * It also implies a memory barrier.
 */
static __inline__ int test_and_set_bit(int nr, volatile void * addr)
{
	int oldbit;

	__asm__ __volatile__( LOCK_PREFIX
		"btsl %2,%1\n\tsbbl %0,%0"
		:"=r" (oldbit),"=m" (ADDR)
		:"Ir" (nr) : "memory");
	return oldbit;
}

C.1.2. 어셈블리

인라인 어셈블리 중 asms에 해당하는 실제 코드를 적는 부분은 AT&T 어셈블리 문법을 따르고 여기에 적인 그대로가 컴파일 후 gasm에 넘겨지기 때문에 gasm의 문법을 따라야한다.

명령의 구분은 세미콜론(;)이나 개행문자(\n)으로 한다.

그리고 gasm의 문법에서 주의할 것은 레지스터를 %ax과 같은 식으로 쓴다는 것과 인텔 어셈블리와는 달리 destination이 뒤에 나온다는 것이다. 그러므로 인텔 문법에 익숙한 사람은 사고의 전환이 필요할 것이다.

인라인 어셈블리에선 %0, %1등을 사용해 input, output 오퍼랜드를 나타낸다. output에서 부터 시작해 input에 나열된 변수들의 순서 대로 %0, %1, ... 으로 번호가 매겨진다.

모든 코드는 따옴표 안에 있어야하기 때문에 많은 수의 명령을 한줄로 쓰면 보기도 않좋기 때문에 명령 수가 많아지면 각 명령을 따옴표로 감싸고 뒤에 \t\n을 넣고 다음 줄에 다시 명령을 따옴표로 적으면 된다. 아래의 예를 보면 이해가 쉬울 것이다. 

static __inline__ int find_first_zero_bit(void * addr, unsigned size)
{
	int d0, d1, d2;
	int res;

	if (!size)
		return 0;
	/* This looks at memory. Mark it volatile to tell gcc not to move it around */
	__asm__ __volatile__(
		"movl $-1,%%eax\n\t"
		"xorl %%edx,%%edx\n\t"
		"repe; scasl\n\t"
		"je 1f\n\t"
		"xorl -4(%%edi),%%eax\n\t"
		"subl $4,%%edi\n\t"
		"bsfl %%eax,%%edx\n"
		"1:\tsubl %%ebx,%%edi\n\t"
		"shll $3,%%edi\n\t"
		"addl %%edi,%%edx"
		:"=d" (res), "=&c" (d0), "=&D" (d1), "=&a" (d2)
		:"1" ((size + 31) >> 5), "2" (addr), "b" (addr));
	return res;
}

바로 위의 예에서 %eax가 아니라 %%eax라고 씌어진 것이 있는데 %%는 gasm에 넘겨질 때 %로 해석되 넘겨진다. 즉 output, input에 레지스터를 직접 지정할 때 이렇게 쓴다. 그러나 output, input에 아무 것도 지정되어 있지 않다면 %%는 %로 바뀌지 않는다. 그러므로 %eax와 같이 써야만 한다.

C.1.3. Output/Input

이전의 예들에서 보면 output, input에 지정된 것이 무척 어렵게 되어 있는데 output, input은 constraints와 변수 이름이 쉼표로 구분된 리스트로 이루어져 있다.

constraints는 의미를 나타내는 문자와 몇가지 modifier를 조합해 만들어진다. 자세한 내용은 'info gcc' 를 해서 ::Constraints 항목에서 찾길 바란다. 아래 열거된 것은 몇 가지만을 간추린 것이다.

C.1.3.1. Constraints

'm'

아키텍쳐가 지원하는 모든 종류의 메모리 어드레스를 사용하는 오퍼랜드

'o'

옵셋화 가능한 어드레스를 사용하는 메모리 오퍼랜드

'V'

옵셋화 불가능한 어드레스를 사용하는 메모리 오퍼랜드

'<'

자동 감소(미리 감소하거나 나중에 감소한다) 어드레스용 메모리 오퍼랜드

'>'

자동 증가(미리 증가하거나 나중에 증가한다) 어드레스용 메모리 오퍼랜드

'r'

일반 레지스터 사용 오퍼랜드

'd', 'a', 'f', ...

시스템에 따른 레지스터를 나타내는 다른 오퍼랜드로 d, a, f는 각각 68000/68020에서 데이터, 어드레스, 플로팅포인트 레지스터를 나타낸다.

'i'

immediate 정수 값을 나타내는 오퍼랜드. 심볼로된 상수도 여기에 해당한다.

'n'

immediate 정수 값으로 알려진 정수 값을 나타낸다. 많은 시스템이 어셈블할 때 한 워드 이하의 오퍼랜드용 상수를 지원하지 않으므로 'i'보단 'n'을 사용하는 것이 바람직하다.

'I', 'J', 'K', ... 'P'

시스템에 따라 특정 범위 내의 값을 나타내는 오퍼랜드. 68000에선 'I'가 1에서 8까지의 값을 나타낸다. 이것은 시프트 명령에서 허용된 시프트 카운트의 범위다.

'E'

immediate 플로팅 오퍼랜드로 호스트와 같은 타겟 플로팅 포인트 포맷인 경우에만 사용 가능.

'F'

immediate 플로팅 오퍼랜드.

'G', 'H'

특정 범위 내의 값을 나타내는 플로팅 오퍼랜드로 시스템에 따라 다르다.

's'

값이 명확히 정해지지 않은 immediate 정수를 나타내는 오퍼랜드

's'

값이 명확히 정해지지 않은 immediate 정수를 나타내는 오퍼랜드. 's'를 'i'? 대신 쓰는 이유는 좀더 좋은 코드를 만들어낼 수도 있기 때문이다.

'g'

특수 레지스터를 제외한 일반 레지스터, 메모리 혹은 immediate 정수 중 아무것이나 나타내는 오퍼랜드.

'0', '1', '2', ... '9'

같이 사용된 오퍼랜드의 번호를 나타냄.

'p'

올바른 메모리 어드레스를 나타내는 오퍼랜드. "load address"와 "push address" 명령을 위한 것.

'Q', 'R', 'S', ... 'U'

Q에서 U까지의 문자는 시스템에 따라 변하는 여러 다른 오퍼랜드를 의미한다.

C.1.3.2. Modifier

'='

오퍼랜드가 쓰기 전용임을 나타냄. 이전 값은 없어지고 새로운 값으로 교체됨.

'+'

읽기, 쓰기 모두 가능. '='는 보통 output용 '+'는 input/output 모두에 사용 가능하다. 나머지 다른 모든 오퍼랜드는 input 전용으로 간주된다.

'&'

"earlyclobber" 오퍼랜드를 나타내고 input 오퍼랜드를 사용하는 명령이 끝나기 전에 변경 된다는 것을 의미한다. 그래서 input 오퍼랜드나 메모리 어드레스의 일부을 나타내는 레지스터엔 못 쓴다.

gcc는 input 변수가 다 사용되고 나면 output에 사용된다고 가정하기 때문에 input에 사용된 변수가 output과 같게 되고 또 output이 input 보다 먼저 사용되는 경우가 발생할 수 있다. 이런 경우를 막기 위해 output에 사용된 변수가 input이 모두 사용되기 전에 변경될 수도 있다고 알려줘야만 input과 output이 같아져 생기는 에러를 막을 수 있다.

'%'

%뒤에 따라오는 오퍼랜드로 대체 가능함을 나타낸다. 직접 레지스터를 명시하고 사용할 때 %%eax 등과 같이 하는 것을 기억하는가?

'#'

# 이후의 쉼표가 나올 때 까지의 모든 문자를 constraints로 취급하지 않는다.

C.1.3.3. ARM Family Constraints

'f'

플로팅 포인트 레지스터

'F'

0.0, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 10.0 중의 하나를 나타내는 플로팅 포인트 상수

'G'

음수 값인 경우의 'F'

'I'

데이터 프로세싱 명령에서 유효한 immediate 정수 값 오퍼랜드. 0에서 255사이의 2의 배수 값을 나타낸다.

'J'

-4095에서 4095 사이의 정수

'K'

'I'를 만족하는 값을 1의 보수 취한 것

'L'

'I'를 만족하는 값을 음수로 취한 값(2의 보수)

'M'

0에서 32 사이의 정수 값

'Q'

한 레지스터에 담겨있는 정확한 어드레스를 나태내는 메모리

'R'

constalt pool 내의 아이템

'S'

현재 파일의 텍스트 세그먼트 내의 심볼

C.1.3.4. i386 Family Constraints

'q'

'a', 'b', 'c', 'd' 레지스터

'A'

'a' 또는 'd' 레지스터 (64비트 정수 용)

'f'

플로팅 포인트 레지스터

't'

첫번째(스택의 최상위) 플로팅 포인트 레지스터

'u'

두번째 플로팅 포인트 레지스터

'a'

'a' 레지스터

'b'

'b' 레지스터

'c'

'c' 레지스터

'd'

'd' 레지스터

'D'

'di' 레지스터

'S'

'si' 레지스터

'I'

0에서 31 사이의 상수(32비트 시프트용)

'J'

0에서 63 사이의 상수(64비트 시프트용)

'K'

'0xff'

'L'

'0xffff'

'M'

0, 1, 2, 3 (lea 명령을 위한 시프트)

'N'

0에서 255 사이의 값(out 명령 용)

'G'

80387 플로팅 포인트 상수를 나타냄

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