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eVC 的 ARM 汇编，带 Mono Jit 宏

Sjoerd_B
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2007年6月1日

CPOL

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eVC 的 ARM 汇编，带 Mono Jit 宏

Screenshot - ArmJitCE.jpg

引言

Microsoft 的 eMbedded Visual C 编译器除了生成原始操作码之外，无法为 ARM 系列微处理器使用内联汇编。Mono Jit for ARM 的宏可以更方便地完成这项工作。本文仅讨论 ARMV4 版本的 Windows CE 的汇编，即 Windows Mobile 5 之前的版本。此处提供的确切方法可能不适用于 ARMV4I 和 ARMV4T 平台；这尚未经过测试。

背景

机器语言编写的代码通常仍比 C 语言编写的代码快，但我们通常不再使用汇编来与 C 语言竞争速度。然而，在过去几年里，Lua 和 Cil 等字节码语言变得越来越重要，并且可以通过 JIT（Just-In-Time）大大加速。JIT 首先将原本“官僚化”解释的单个字节码转换为一个或多个汇编指令，将它们串联起来，然后才执行。这是 JIT 启动缓慢但随后速度极快的原因之一。

我认为抽象字节码和 JIT 是未来的发展方向，因为它们的组合在理论上是平台无关的，并且对普通程序员来说更易于使用。不幸的是，尚未出现通用的字节码标准：虽然主题上有很多（过多的）变种，但希望随着时间的推移这种情况会改变。

我发现通过查看 Sourceforge 上可下载的 Windows CE 的 Ogl/Es 实现的源代码，可以轻松地将 Mono ARM Jit 的宏用于 eVC。作者似乎为宏开发了更通用的包装器，但我在这里不使用它们，尽管我认为抽象的机器语言本身可能非常有用。它甚至可能成为制定字节码标准的条件。

Using the Code

Mono ARM 汇编宏位于几个头文件中；其中最重要的是 arm-codegen.h 和 arm_dpimacros.h，可选的 arm-dis.h 用于反汇编生成的代码，我觉得它非常棒。我使用的是 Mono 版本 1.2.4，并修正了向后分支的一个 bug

#define ARM_DEF_BR(offs, l, cond) \
((offs) | ((l) << 24) | (ARM_BR_TAG) | (cond << ARMCOND_SHIFT))

在 arm-codegen.h 中应该是

#define ARM_DEF_BR(offs, l, cond) \
((offs & 0x00FFFFFF) | ((l) << 24) |(ARM_BR_TAG) | (cond << ARMCOND_SHIFT))

因为 ARM 的分支偏移是 24 位，使用分支宏时负偏移量会扩展到 32 位，这会干扰操作码的其余部分。可能 Mono 使用向后分支的方式不同；我也只是粗略地看了看，无法确定。分支的使用方式是将分支指令本身视为偏移量 -2，下一条指令为 -1，前一条指令为 -3，以此类推。

一些更复杂的 ARM 基本操作不是作为宏实现的，而是作为函数实现的；例如 arm_mov_reg_imm32()。在这些函数中，指令数组的索引指针是局部的，因此不会自动更新，但会返回其新值。我将这些函数和反汇编函数放入了一个名为 ArmJit.lib 的库中。要使用宏，您需要在源代码中包含相应的头文件，如果需要函数，则与该库链接。

为了使过程更容易理解，我制作了一个小型测试程序，它用 13 条 ARM 指令实现了简单的斐波那契基准测试。为了好玩，还将速度与常用的 C 实现进行了比较，结果 ARM 版本速度快了 30% 以上，但如前所述，与 C 竞争通常已不再是使用汇编的目的。这是程序，我将在下面对其进行注释

#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <arm-codegen.h>
#include <arm-dis.h>

unsigned long fib_c(unsigned long n) {
if (n < 2)
    return(1);
else
    return(fib_c(n-2) + fib_c(n-1));
}

void setup_fib_jit (unsigned int *pins) {

/* label1 */
ARM_CMP_REG_IMM8 (pins, ARMREG_R0, 2); /* is n < 2 ? */
ARM_MOV_REG_IMM8_COND (pins, ARMREG_R0, 1, ARMCOND_LO); /* if yes return value is 1 */
ARM_MOV_REG_REG_COND (pins, ARMREG_PC,  ARMREG_LR, ARMCOND_LO);
                                        /* if yes return address in PC; */
                                        /* and exit to main or previous recursive call */
ARM_PUSH2 (pins, ARMREG_R0, ARMREG_LR); /* save n and return address to the stack*/
ARM_SUB_REG_IMM8(pins, ARMREG_R0, ARMREG_R0, 2); /* n = n-2 */
ARM_BL (pins, -7); /* recurse to label1 for fib(n-2) */

ARM_LDR_IMM (pins, ARMREG_R1, ARMREG_SP, 0); /* load n from the stack */
ARM_STR_IMM (pins, ARMREG_R0, ARMREG_SP, 0); /* store result fib(n-2) */

ARM_SUB_REG_IMM8(pins, ARMREG_R0, ARMREG_R1, 1); /* n = n-1 */
ARM_BL (pins, -11); /* recurse to label1 for fib(n-1) */
ARM_POP2 (pins, ARMREG_R1, ARMREG_LR); /* pop result fib(n-2) and return address */

ARM_ADD_REG_REG (pins, ARMREG_R0, ARMREG_R0, ARMREG_R1); /* add both results */

ARM_MOV_REG_REG (pins, ARMREG_PC,  ARMREG_LR);
                                        /* return address in PC; */
                                        /* and exit to main or previous recursive call */
}

int main (int argc, char *argv[]) {

unsigned int n, ins[500], *pins = ins;
unsigned long (*fib_jit)(int n) = (unsigned long (*)(int n)) ins;
unsigned long r1, r2, t0, t1, t2;

setup_fib_jit (pins);
_armdis_dump (stdout, ins, 56);

if (argc <= 2) {
    if (argc == 1)
        n=1;
    else
        n=atoi (argv[1]);
t0 = GetTickCount();
r1 = fib_c (n);
t1 = GetTickCount();
r2 = fib_jit (n);
t2 = GetTickCount();
}

else {
    fprintf (stderr, "%s: Wrong number of arguments\n", argv[0]);
    exit (-1);
}

printf ("  fib_c(%d) result: %d\n\texcution time: %lf\n", n, r1, (t1-t0) / 1000.0);
printf ("fib_jit(%d) result: %d\n\texcution time: %lf\n", n, r2, (t2-t1) / 1000.0);

return 0;
}

使用宏需要大量的通用机器语言编程基础知识，以及一些 ARM 微处理器家族的基础知识。`setup_fib_jit()` 函数中的汇编指令在程序中已加注释，我在此不再赘述；这超出了本文的范围。将其与上面的 C 版本进行比较，很可能会对正在发生的事情有一个充分的了解；它基本上是对 C 算法的一对一翻译。我现在更愿意专注于设置代码并在实践中使用的宏。

首先，我们需要一个用于实际操作码指令的数组；在这种情况下，该数组名为 ins[]。在 ARMV4 平台上，ARM 操作码每个是 32 位，在我使用的 Windows CE 版本中相当于无符号 int。如果想更安全，可以使用 UINT32 作为数组的类型。还需要一个指向该数组的索引指针 *pins，供宏使用以确定在哪里放置操作码。宏会自动更新此指针，因此我们可以使用它们而无需关心这一点。请注意，与正常编程相比，实际的汇编函数正在被“设置”而不是函数 *就是* 代码：实际代码不会在 setup_fib_jit() 中，而是在 ins[] 数组中！

用指令填充操作码数组后，我们必须通过将数组强制转换为函数变量来使自己能够跳转到它。这通过声明来完成

unsigned long (*fib_jit)(int n) = (unsigned long (*)(int n)) ins;

然后我们可以像普通函数一样调用 fib_jit()。n 参数将作为 ARM 寄存器 0 传递给它，这在 ARM WinCE 平台上是 `__cdecl` 函数的第一个参数的常规做法。寄存器 0 也用于在函数退出时将返回值传递给 main()。我认为 main() 的其余部分是不言自明的。基准测试的输入和输出来自/到控制台；运行此程序需要一个控制台。我个人使用 PocketConsole（我已将其适配为可在 VGA 中工作，因此项目中有 hidpi.res），它可以在互联网上找到。

关注点

一旦我开始，我就发现使用 Mono 代码出奇地容易且非常有趣。我一直计划为我的 Toshiba E800 Pocket PC 编写一个 C 解释器，也许这个工具能让我真正做到这一点。不过别指望它；最好自己写吧；)。

历史

原始 zip 文件和文章进行了一次小更新：测试程序的 ARM 函数的速度得到了提升。

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