标签：02 00 lec 调用者 sp mov 指令寄存器 arm

Lecture 02: ARM 汇编基础

为什么学习ARM/ISA汇编
从C到汇编
理解arm汇编
理解机器执行

1 为什么学习汇编和指令集架构？

1.令人困惑的应用表现

2.指令集架构ISA(Instruction Set Architecture)

CPU向软件(应用程序和操作系统)提供的接口。
理解软件在CPU上的运行(OS设计，程序调试)。
操作系统包含体系结构相关的汇编代码。
操作系统启动代码(栈没有设置)
部分操作C语言无法表达。(e.g.获取系统状态，刷新TLB)
部分场景下汇编更加高效(e.g. memcpy)

2.2 从C语言到汇编

1.为什么硬件不能直接运行C

硬件设计
(1)高级语言表达能力很强
(2)硬件理解高级语言复杂度过高难以高效设计。
机器指令
(1)格式相对固定
(2)功能相对简单
(3)二进制编码

2.编译过程
link
hex
二进制文件难以理解->汇编较为适合阅读。

2.3 理解arm汇编

在完成程序编写后，程序被储存在磁盘中。
OS加载程序，将其放入内存，CPU中的PC指向当前需要执行的第一个汇编指令。每执行一个指令，PC=PC+4.
数据刚开始存储在磁盘。后来会加载到内存当中。CPU中具有特殊的存储单元：寄存器，用于临时存储数据。可以用load/store指令来搬运数据。

2.4 常用汇编

2.4.1 数据搬运

mov

2.4.2 算术指令

arith

2.4.3 移位指令

mov

2.4.4 逻辑运算指令

logic

2.4.5 Modified Register

z=z*48分解成z=z*3与z=z*16,这样可以采用右移，减少运行时间。(浮点乘法消耗时间远大于位移)
Modified register 优势
对操作数进行移位/位扩展。

2.4.6 访存指令

alt

2.4.7 内存结构

1.CPU视角下的内存：

内存可以被视为一个很大的字节数组。
数组每个元素可以由唯一的地址来索引。

2.内存地址

内存数组的名称计为M。M[addr]为addr开始的内存单元的内容。addr为内存数组的索引。内存单元大小由上下文决定。
addr的具体格式由寻址模式决定。

3.寻址模式
(1)基地址模式(索引寻址)

\([r_b]\)

(2)基地址+偏移量

\([r_b,\text{offset}]\)

(3)前索引寻址(寻址操作前更新基地址)

\([r_b,\text{offset}]!\)， \(r_b+=\text{offset}\),寻址\(M[r_b]\)

(4)后索引寻址(寻址操作后更新基地址)

\([r_b],\text{offset}\) 寻址\(M[r_b]\);\(r_b+=\text{offset}\).

(5)offset可以是

立即数 #imm
64位通用寄存器\(r_i\)
修改过的寄存器。例如：移位运算lsl #3,位扩展sxtw

(4)example:

alt

2.4.8 条件码，分支指令

alt

标签：.L3,.L1
分支指令 .cbz,bne

alt

1.条件码

一组标识位的统称。
由PSTATE寄存器维护。
N(Negative),Z(zero),C(carry),V(overflow)
条件码保留之前相关指令的执行状态，其中有
带有s后缀的算术/逻辑指令(subs,adds)
比较指令

2.条件码的设置

第一类：通过s后缀数据处理指令隐式设置。

adds Rd, Rn, Op2

相当于t=a+b。

C:运算产生进位时设置。
Z:当t=0时被设置。
N:当t<0时被设置。
V:当运算产生有符号溢出时被设置。

(a>0 && b>0 && t<0) || (a<0 && b<0 && t>=0)

第二类：通过比较指令cmp显式设置。

cmp src1, src2

计算src1-src2,不存储结果，只改变条件码。

C:运算不产生借位时设置。
Z:当操作数相等时被设置。
N:当src1<src2时被设置。
V:当运算产生有符号溢出时被设置。

3.跳转条件
alt

4.跳转指令

直接分支指令
标签对应地址作为跳转目标
无条件分支指令：b <label>
有条件分支指令：bcond <label>, bcond=beq,bne,ble,...
间接分支指令
寄存器中地址作为跳转目标。br reg。

alt

2.5 函数调用

2.5.1 函数调用=无条件跳转

alt

2.5.2 基本概念

术语：

Caller 调用者
Callee 被调用者

alt

2.5.3 函数调用与返回指令

函数调用bl <label>，返回ret

alt

函数调用

指令：

bl <label> 直接调用函数
blr Rn 间接调用，调用函数指针。

功能:

将返回地址存储在链接寄存器x30
跳转到被调用者的入口地址。

返回指令

指令

ret 不区分直接调用和间接调用。

功能

跳转到返回地址X30

alt

2.5.4 多级函数调用

alt

[ ]一级：cube调用square
cube中的bl指令将返回地址保存在LR(X30)中
square中的ret指令返回到LR(X30)记录的地址
[ ]二级：cube调用square，square调用foo
LR首先存储了square返回cube的地址
嵌套调用时发生覆盖：LR(X30)存储foo返回square的地址

2.5.5 函数栈帧

栈桢：函数在运行期间使用的一段内存
生命周期：从被调用到返回前
作用：存放其局部状态，包括：
(1) 存放返回地址
(2) 存放上一个栈桢的位置
(3) 存放局部变量
多级函数调用
例如，A调用B、B调用C
程序执行中存在多个未返回的函数
函数栈桢按照调用顺序排列
(1) 先被调用者后返回，后被调用者先返回
(2) 栈：先进后出，后进先出
CPU中的另一个特殊寄存器SP
SP: Stack Pointer
指向栈顶（低地址）

alt

2.5.6 函数调用返回过程中栈的变化

alt

2.5.7 帧指针FP：X29寄存器

栈桢回溯
栈桢大小不一
如何找到上一个栈桢（如调试）
(1) 保存x29（上一个栈桢的SP）
(2) 将当前SP写入x29（让callee能保存）

2.5.8 函数的调用，返回与栈

alt

2.6 函数参数与返回值

2.6.1 寄存器传递数据

x0-x7寄存器传递前8个参数
x0作为返回值

alt

2.6.2 传递数据

调用者压到栈上的数据
第8个之后的参数
按声明顺序从右到左
Why？因为参数的数量无法确定。而编译器读取参数时只是读取sp指针以上的内存。因此可以得到每个参数的地址。反之则会导致每个参数的内存地址无法确定。
所有数据对齐到8字节
被调用者通过SP+

alt

举例说明：

void proc(long a1, long *a1p,
          int a2, int *a2p,
          short a3, short *a3p,
          char a4, char *a4p,
          char a5, char *a5p)
{
    *a1p += a1;
    *a2p += a2;
    *a3p += a3;
    *a4p += a4;
    *a5p += a5;
}

void caller(long *n)
{
    proc (1,0x2000,3,0x4000,5,0x6000,7,0x8000,9,0xA000);
}

查看caller的汇编语言：

00000000000000a0 <_caller>:
      a0: ff c3 00 d1  	sub	sp, sp, #48
      a4: fd 7b 02 a9  	stp	x29, x30, [sp, #32]
      a8: fd 83 00 91  	add	x29, sp, #32
      ac: a0 83 1f f8  	stur	x0, [x29, #-8]
      b0: e9 03 00 91  	mov	x9, sp
      b4: 28 01 80 52  	mov	w8, #9
      b8: 28 01 00 39  	strb	w8, [x9]
      bc: 08 00 94 d2  	mov	x8, #40960
      c0: 28 05 00 f9  	str	x8, [x9, #8]
      c4: 20 00 80 d2  	mov	x0, #1
      c8: 01 00 84 d2  	mov	x1, #8192
      cc: 62 00 80 52  	mov	w2, #3
      d0: 03 00 88 d2  	mov	x3, #16384
      d4: a4 00 80 52  	mov	w4, #5
      d8: 05 00 8c d2  	mov	x5, #24576
      dc: e6 00 80 52  	mov	w6, #7
      e0: 07 00 90 d2  	mov	x7, #32768
      e4: 00 00 00 94  	bl	0xe4 <_caller+0x44>
      e8: fd 7b 42 a9  	ldp	x29, x30, [sp, #32]
      ec: ff c3 00 91  	add	sp, sp, #48
      f0: c0 03 5f d6  	ret

2.7 寄存器保存

2.7.1 通用寄存器保存

不同函数共享同一批通用寄存器
因此能够通过寄存器传递参数和返回值
然而，不同的函数对通用寄存器的使用会存在冲突 — 覆盖
避免冲突的思路
函数在使用某个寄存器之前保存该寄存器的值，返回前恢复
保存在哪：函数栈桢中
效率问题：有时候可能无需保存
如：一个函数内不调用其他函数
编译器会尽可能减少冗余保存的代码

2.7.2 寄存器使用约定

alt

调用者保存的寄存器包括 X9~X15
调用者在调用前按需（仅考虑自己是否需要）进行保存
调用者在被调用者返回后恢复这些寄存器的值
被调用者可以随意使用
这些寄存器调用后的值可能发生改变
被调用者保存的寄存器包括 X19~X28
被调用者在使用前进行保存
被调用者在返回前进行恢复
调用者视角：这些寄存器的值在函数调用前后不会改变

alt

2.7.3 举例理解

0000000000000000 <square>:
   0:	1b007c00 	mul	w0, w0, w0
   4:	d65f03c0 	ret

0000000000000008 <cube>:
   8:	a9be7bfd 	stp	x29, x30, [sp, #-32]!	// 开辟栈帧，保留调用者的栈帧x29,保存返回地址x30
   c:	910003fd 	mov	x29, sp		// 当前帧的栈顶地址写入x29
  10:	f9000bf3 	str	x19, [sp, #16]	//被调用者使用前保存调用者或之前保留的数据
  14:	2a0003f3 	mov	w19, w0		// 使用数据参数
  18:	94000000 	bl	0 <square>
  1c:	1b137c00 	mul	w0, w0, w19
  20:	f9400bf3 	ldr	x19, [sp, #16]	// 从内存中恢复数据
  24:	a8c27bfd 	ldp	x29, x30, [sp], #32	// 返回弹栈
  28:	d65f03c0 	ret

2.8 局部变量

2.8.1 函数局部变量存放在函数栈桢中

为什么不直接把局部变量存储在寄存器?
寄存器数量有限
数组和结构体等复杂数据结构
局部变量可能需要寻址 (如&a)

2.8.2 局部变量

局部变量的分配
在分配栈帧时被一起分配
局部变量的释放
在返回前释放栈帧时释放
局部变量通过SP相对地址引用
(例如ldr x1, [sp, #8])

2.8.3 小结

alt
alt
alt

标签：02,00,lec,调用者,sp,mov,指令,寄存器,arm
From： https://www.cnblogs.com/mumujun12345/p/18541591

lec 02 arm汇编语言基础