gcc - 你如何解释gcc对i386的IN、OUT指令的内联汇编约束？

Question

据我所知，gcc 内联汇编中使用的约束告诉 gcc 输入和输出变量必须(或必须)去哪里才能生成有效的汇编。正如 Fine Manual 所说，“对操作数放置的限制”。

这是来自 a tutorial 的一个具体的工作示例.

static inline uint8_t inb(uint16_t port)
{
    uint8_t ret;
    asm volatile ( "inb %1, %0"
                   : "=a"(ret)
                   : "Nd"(port) );
    return ret;
}

inb是 AT&T 语法，适用于 i386 IN从 I/O 端口接收一个字节的指令。

以下是该指令的规范，取自 i386 手册。请注意，端口号来自 0x0000至 0xFFFF .

IN AL,imm8  // Input byte from immediate port into AL
IN AX,imm8  // Input word from immediate port into AX
IN EAX,imm8 // Input dword from immediate port into EAX
IN AL,DX    // Input byte from port DX into AL
IN AX,DX    // Input word from port DX into AX
IN EAX,DX   // Input dword from port DX into EAX

给出类似 uint8_t x = inb(0x80); 的语句正确的汇编输出是 inb $0x80,%al .它使用了 IN AL,imm8指令的形式。

现在，假设我只关心 IN AL,imm8表单，收到 uint8_t来自 0x00 之间的端口和 0xFF包括的。这与工作示例之间的唯一区别是 port现在是 uint8_t模板参数(使其有效地成为常量)，约束现在是 "N" .

template<uint8_t port>
static inline uint8_t inb()
{
    uint8_t ret;
    asm volatile ( "inb %1, %0"
                   : "=a"(ret)
                   : "N"(port) );
    return ret;
}

失败!

我认为“N”约束意味着“对于这条指令，你必须有一个常量无符号 8 位整数”，但显然不是，因为它是一个“不可能的约束”。不是 uint8_t模板参数是一个常量无符号 8 位整数？

如果我用“Nd”替换“N”，我会得到一个不同的错误:

./test.h: Assembler messages:
./test.h:23: Error: operand type mismatch for `in'

在这种情况下，汇编器输出为 inb %dl, %al这显然是无效的。

为什么这只适用于 "Nd"和 uint16_t而不是 "N"和 uint8_t ?

编辑:

这是我在 Godbolt.org 上试过的精简版:

#include <cstdint>

template<uint8_t N>
class Port {
 public:
  uint8_t in() const {
    uint8_t data;

    asm volatile("inb %[port], %%al"
                     :  
                     :  [port] "N" (N)
                     :  // clobbers
    );
    return data;    
  }
};

void func() {
    Port<0x7F>().in();
}

有趣的是，这很好用，除非您将 N 更改为 0x80 和 0xFF 之间的任何值。在 clang 上，这会生成“128 超出约束 N 的范围”错误。这会在 gcc 中产生一个更通用的错误。

Answer 1

根据约束的记录方式，您的代码应该按预期工作。

一年多后，这似乎仍然是一个错误。看来编译器正在转换 N从无符号值到有符号值并尝试将其传递到内联汇编约束中。当传递给约束的值不能表示为 8 位有符号值时，这当然会失败。 input constraint "N" 假设允许一个无符号的 8 位值，并且应该接受 0 到 255 (0xff) 之间的任何值:

N

Unsigned 8-bit integer constant (for in and out instructions).

有一个类似的 bug report到 GCC 的 bugzilla，标题为“常量约束检查符号扩展无符号常量输入操作数”。

在一个相关线程中，有人建议您可以通过将 (&) 0xff 与常量(即: N & 0xff )进行 AND 运算来解决此问题。我还发现静态类型转换 N到比 uint8_t 更宽的无符号类型也有效:

#include <cstdint>

template<uint8_t N>
class Port {
 public:
  uint8_t in() const {
    uint8_t data;

    asm volatile("inb %[port], %0"
                     : "=a"(data)
                     :  [port] "N" (static_cast<uint16_t>(N))
                     :  // clobbers
    );
    return data;    
  }
};

void func() {
    Port<0x7f>().in();
    Port<0x80>().in();
//    Port<0x100>().in();    // Fails as expected since it doesn't fit in a uint8_t
}

要对此进行测试，您可以在 godbolt 上玩它.