嵌入式中详解 ARM 几个常见的寄存器方法

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大家好,今天来聊聊对于ARM几个特殊寄存器的理解,FP、SP和LR。

1、介绍
  • FP:栈顶指针,指向一个栈帧的顶部,当函数发生跳转时,会记录当时的栈的起始位置。

  • SP:栈指针(也称为栈底指针),指向栈当前的位置,

  • LR:链接寄存器,保存函数返回的地址。

关于gcc就有一个关于stack frame的优化选项,加上该选项则忽略掉FP栈顶指针,(记得高版本默认是不加FP的,gcc4.8以上吧(待确认))

  • -fomit-frame-pointer

Don’t keep the frame pointer in a register for functions that don’t need one. This avoids the instructions to save, set up and restore frame pointers; it also makes an extra register available in many functions. It also makes debugging impossible on some machines.

(大概意思 )不需要栈帧的时候不要加这个编译选项,这可以节省很多指令去保存,传递和恢复,同时也省出一个寄存器可以在函数中做更多事情,也使得在某些机制下更容易去debug

arm cc5编译也有关于FP生成的编译选项,默认是不加的。

  • –use_frame_pointer, --no_use_frame_pointer

Sets the frame pointer to the current stack frame. Using the --use_frame_pointer option reserves a register to store the 「frame pointer」. For newer processors that support Thumb-2 technology (ARMv6T2 and later), the reserved register is always R11. (arm v7)如果是arm v8 -a 系列,则是X29来表示。For older processors that do not support Thumb-2 technology, the reserved register is R11 in ARM code and R7 in Thumb code. Default「The default is --no_use_frame_pointer」. That is, register R11 (or register R7 for Thumb code on older processors) is available for use as a general-purpose registe

2、作用
2.1 FP的作用

关于APCS(ARM Procedure Call Standard,ARM 程序调用标准)的说法 ,

  • 除非子程序没有修改链接寄存器,否则FP都需要记录有效的栈帧位置

  • 其寄存器(r11或者x29)不能被用做一个通用型的寄存器

FP的主要作用就是用来「栈回溯」,找到子程序的调用关系,也成为backtrace,当然一级一级的子程序调用时,FP的记录也在变化,也会一级一级的保存到栈中,最后通过FP的值来反推出一级一级的调用关系。

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以ARM CC5 编译器为例,其栈回溯的主要逻辑如下图所示:

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通过上图可以看出,main->fun1->fun2,每调用一级的时候,都会将FP、LR以及参数等压栈,而每个FP指向了上一级的栈顶,通过保存关系,可以找到LR,从而找到上一级的调用函数。

具体的流程图就如右图所示,按照这样的方法可以找到backtrace,再比如可以通过stack memory查找调用栈信息,

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左图为栈memory 右图为寄存器信息。

上图中:backtrace 第一级是寄存器中的LR,之后就是从栈中进入回溯来找到的。(FP、LR) 1、0x1F7BC 0x40BBAA4 2、0x1F7E4 0x18A3C 3、0x1F7EC 0x18818 4、 0x1F7F4 0x40A4108 5、 0x1F7FC 0x1594 6、 0x184BC 0x40A0015

图中 LR地址都-4 这是因为LR总是保存PC的下一个运行地址,所以找到PC进函数的位置,则需要LR-4可以得到。

图中 最后栈停止回溯,可以看到栈的边界到了0x1f800,所以停止,不然会继续一直进行回溯。

backtrace的C代码如下

void get_backtrace(u32 lr, u32 fP)
{
 u8 backtrace_deep = 0
 u32 stack_limit=getStackLimit()
 u32 stack_base=getStackBase()
 
 printf("Bactrace info:\n")
 do{
  if((fp <= stack_base) &&(fp >= stack_limit))
   break;
  lr = *(u32*)(fp)
  lr (lr == OxFFFFFFFF || lr == 0x0)
   break;
  fp=*(u32*)(fp-sizeof(u32))
  if(backtrace_deep++>MAX_BACKTRACE_DEPTH)
   break;
 }while(1);
 printf("\n");
}
12345678910111213141516171819
2.2 SP的作用

sp 为栈指针,通过push pop 实现对栈存储的访问,栈主要是用来存储局部变量 中间值 等数据,同样和全部变量等存储的区域一样,也是一块memory,没有任何区别,只是使用的方式不一样。

接下来简单介绍一下各个处理器架构的SP指针。

  • CortexM3/4(ARMv7)

  1. CortexM3/4中,「SP分为MSP与PSP」,主栈与线程栈,任何时刻只有一个栈指针有效,通过「CONTROL 寄存器」来选择栈指针。

  2. 程序刚运行时就处在主栈(特权模式),之后可以切到线程栈(非特权模式),之所以设置这样的原因是,一般OS会运行在主栈,而应用程序出在线程栈,应用程序即使出错,也不会影响OS的运行,也不会影响主栈。通过简单的程序无需这样运行,直接在主栈特权模式下面运行就可以。

  3. MSP的初值通过存储器的第一个DWORD中获取。

  4. MSP与PSP 都是32位,低两位均是0.

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  • CortexR5(Cortexv7)

  1. Cortex R5系列比较复杂,继承了多种工作模式的特性,大多数模式下都有独立的栈。

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  2. 总共七种工作模式,SYS/FIQ/SYS/SVC/ABORT/IRQ/UND 以及USER,前面六种都是特权模式 后面是用户模式也是非特权模式。可以看到基本都有独立的栈寄存器,意味着每个模式下可以设置独立的栈空间

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  • CortexA53 (ARMv8 -A系列)

  1. 其有变化了 分为EL1 EL2 EL3 EL4四种模式(AArch64状态)。每种模式下有自己的SP指针,SP_EL0,SP_EL1,SP_EL2,SP_EL3。通过SPSel来选择是哪一种的SP指针。

  2. 嵌入式中详解 ARM 几个常见的寄存器方法,单片机项目实战操作之优秀,单片机,嵌入式硬件

  3. SP_EL1t 代表SP_EL0的指针,SP_ELxH代表相应等级下的SP指针。

  4. 如果用作基址运算时,SP的低四位[3:0]必须为0,否则会产生SP非对齐异常,系统自动会进行check。

CheckSPAlignment()
 bits(64) sp = SP[];
 if PSTATE.EL == EL0 then
  stack_align_check = (SCTLR[].SA0 != '0');
 else
  stack_align_check = (SCTLR[].SA != '0');
 if stack_align_check && sp != Align(sp, 16) then
  AArch64.SPAlignmentFault();
return;
123456789

由下图可以看到EL3下的SP有值,且与系统的SP值相同(X15下面),则处于EL3模式。

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2.3 LR的作用
  1. LR为程序跳转时需要用到的寄存器,用来保存「返回地址」(同时也包含异常返回地址)。

  2. 程序经常会存在调用关系,当程序执行完子程序之后,肯定会返回到主程序,这是返回到主程序的地址就是在LR保存。

  3. 在一些CorteM系列的处理,LR的第0位会置1 表示,表示Thumb状态。

  4. 当然没有LR这个寄存器也可以的,直接将返回地址保存到栈中,最后执行完之后弹出到PC也行,但是寄存器的访问速度可以远高于栈(存储器SRAM),所以LR的作用还是很明显的。

  5. 此外对应ARMv8系列,还有ELR寄存器,对应的是异常状态下的返回地址。

    a. 当程序执行到异常时,异常的返回地址保存到ELR中,当然ARMv8有四种模式,EL0没有异常处理,所以只有三个ELR寄存器,处理三种异常时的返回地址。b. AArch32到AArch64状态时,保存的是32位的地址,高8位均为0。

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2.3.1 LR的地址保存

当假如程序A->B->C,

void A()
{
 ....  //1地址
 B();  //;BL B
 .... //2地址
 return;
}
void B()
{
 .... //3地址
 C(); //BL C
 .... //4地址
 return;  //pop lr->PC
}
void C()
{
 ....
 return; //B LR
}
12345678910111213141516171819
  1. 程序A调用B程序,此时LR更新为「2地址」

  2. 跳转到B程序时,B发现还要跳转到C程序,所以LR会被覆盖,所以在B程序开始的时候,会讲LR保存到栈中。

  3. 挑转到C程序时,此时LR更新到「4地址」

  4. C程序执行开始时,发现没有子程序跳转了,所以此时的LR不会被覆盖,所以也不需要将LR保存,退出时直接跳转到「4地址」即可。

  5. B程序执行完时,发现LR还是错的,会将压栈的LR弹出,这样程序就可以回到「2地址」

  6. 如此一来,程序就完成调用过程,全部执行完毕。

2.3.2 接着来说跳转的指令
  • B

    • 用法:B Lable,直接跳转Lable处的地址,不改变LR,有限范围内的跳转,是不返回的跳转。可以看到上图B跳转的地址 就是在附近,说明可能是跳到后面的程序的指令,不带返回的。

    • 嵌入式中详解 ARM 几个常见的寄存器方法,单片机项目实战操作之优秀,单片机,嵌入式硬件

  • BL

    • 用法:BL Lable,将LR=PC+4,(比如在32位程序上+4,Thumb是+2,64位程序上可能是+8)然后跳转到Lable地址,带链接的挑战,说明还会回来的。图中0x8000F300 地址不在该程序范围内,说明是跳到其他地址处 执行完成之后,w0是返回值,然后再跳到此次,是带链接的跳转。

    • 嵌入式中详解 ARM 几个常见的寄存器方法,单片机项目实战操作之优秀,单片机,嵌入式硬件

  • BX:

    • 用法:BX Lable,跳转到对应Label地址,Lable中最后一位(bit)为指令集标志,1表示Thumb,0表示ARM状态,可能会进行模式切换,是不返回的跳转。

    • 用法:BX reg,跳转到 reg里面保存的地址,同上,可能会切换模式。该程序直接跳到lr所指示的地址,即返回地址。

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  • BLX:

    • 用法:BLX Lable,跳转到对应Label地址,可能会切换模式,同时LR保存了返回的地址。

    • 用法:BLX reg,跳转到 reg里面保存的地址,可能会切换模式,同时LR保存了返回的地址。

  • BR:

    • 用法:BR reg,跳转到 reg里面保存的地址,是不返回的跳转。

  • BLR:

    • 用法:BLR reg,跳转到 reg里面保存的地址,同时LR保存了返回的地址。

  • B.

    • 用法:B.Cond label,根据状态位进行跳转,比如 ZCNV 等状态位,

    • 例如:BHI Lable 、BCS Lable

    • 嵌入式中详解 ARM 几个常见的寄存器方法,单片机项目实战操作之优秀,单片机,嵌入式硬件

    • b.cs 如果w8 >= 0x397 则跳到0x800c0988地址处。

    • 嵌入式中详解 ARM 几个常见的寄存器方法,单片机项目实战操作之优秀,单片机,嵌入式硬件文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-830087.html

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