彙編調用c函數爲什麼要設置棧

一.棧的整體作用

(1)保存現場/上下文

(2)傳遞參數:彙編代碼調用c函數時,需傳遞參數

(3)保存臨時變量:包括函數的非靜態局部變量以及編譯器自動生成的其他臨時變量。

二.爲什麼彙編代碼調用c函數需要設置棧

之前看了很多關於uboot的分析,其中就有說要爲C語言的運行,準備好棧。而自己在Uboot的start.S彙編代碼中,關於系統初始化,也看到有棧指針初始化這個動作。但是,從來只是看到有人說系統初始化要初始化棧,即正確給棧指針sp賦值,但是卻從來沒有看到有人解釋,爲何要初始化棧。所以,接下來的內容,就是經過一定的探究,試圖來解釋一下,爲何要初始化棧。
要明白這個問題,首先要了解棧的作用。關於棧的作用,要詳細講解的話,要很長的篇幅,所以此處只是做簡略介紹。總的來說,棧的作用就是:保存現場/上下文,傳遞參數,保存臨時變量

1.保存現場/上下文
現場/上下文,意思就相當於案發現場,總有一些現場的情況,要記錄下來的,否則被別人破壞掉之後,你就無法恢復現場了。而此處說的現場,就是指CPU運行的時候,用到了一些寄存器,比如r0,r1等等,對於這些寄存器的值,如果你不保存而直接跳轉到子函數中去執行,那麼很可能就被其破壞了,因爲其函數執行也要用到這些寄存器。因此,在函數調用之前,應該將這些寄存器等現場,暫時保持起來(入棧push),等調用函數執行完畢返回後(出棧pop),再恢復現場。這樣CPU就可以正確的繼續執行了。
保存寄存器的值,一般用的是push指令,將對應的某些寄存器的值,一個個放到棧中,把對應的值壓入到棧裏面,即所謂的壓棧。然後待被調用的子函數執行完畢的時候,再調用pop,把棧中的一個個的值,賦值給對應的那些你剛開始壓棧時用到的寄存器,把對應的值從棧中彈出去,即所謂的出棧。
其中保存的寄存器中,也包括lr的值(因爲用bl指令進行跳轉的話,那麼之前的pc的值是存在lr中的),然後在子程序執行完畢的時候,再把棧中的lr的值pop出來,賦值給pc,這樣就實現了子函數的正確的返回。

2.傳遞參數
C語言進行函數調用的時候,常常會傳遞給被調用的函數一些參數,對於這些C語言級別的參數,被編譯器翻譯成彙編語言的時候,就要找個地方存放一下,並且讓被調用的函數能夠訪問,否則就沒發實現傳遞參數了。對於找個地方放一下,分兩種情況。一種情況是,本身傳遞的參數不多於4個,就可以通過寄存器傳送參數。因爲在前面的保存現場的動作中,已經保存好了對應的寄存器的值,那麼此時,這些寄存器就是空閒的,可以供我們使用的了,那就可以放參數。另一種情況是,參數多於4個時,寄存器不夠用,就得用棧了。

3.臨時變量保存在棧中

包括函數的非靜態局部變量以及編譯器自動生成的其他臨時變量。

4.舉例分析C語言函數調用是如何使用棧的
對於上面的解釋的棧的作用顯得有些抽象,此處再用例子來簡單說明一下,就容易明白了:用:arm-inux-objdump–d u-boot >dump_u-boot.txt可以得到dump_u-boot.txt文件。該文件就是中,包含了u-boot中的程序的可執行的彙編代碼,其中我們可以看到C語言的函數的源代碼,到底對應着那些彙編代碼。
下面貼出兩個函數的彙編代碼,一個是clock_init,另一個是與clock_init在同一C源文件中的,另外一個函數CopyCode2Ram:
33d0091c<CopyCode2Ram>:
33d0091c:  e92d4070  push   {r4, r5, r6, lr}
33d00920:  e1a06000  mov r6, r0
33d00924:  e1a05001  mov r5, r1
33d00928:  e1a04002  mov r4, r2
33d0092c:  ebffffef  bl  33d008f0 <bBootFrmNORFlash>
......
33d00984:  ebffff14  bl  33d005dc <nand_read_ll>
......
33d009a8:  e3a00000  mov r0, #0 ; 0x0
33d009ac:  e8bd8070  pop {r4, r5, r6, pc}
33d009b0<clock_init>:
33d009b0:  e3a02313  mov r2, #1275068416   ;0x4c000000
33d009b4:  e3a03005  mov r3, #5 ; 0x5
33d009b8:  e5823014  str r3, 
......
33d009f8:  e1a0f00e  mov pc, lr
(1)clock_init部分的代碼可以看到該函數第一行:33d009b0:  e3a02313  mov r2, #1275068416   ;0x4c000000就沒有我們所期望的push指令,沒有去將一些寄存器的值放到棧中。這是因爲,我們clock_init這部分的內容,所用到的r2,r3等等寄存器,和前面調用clock_init之前所用到的寄存器r0,沒有衝突,所以此處可以不用push去保存這類寄存器的值,不過有個寄存器要注意,那就是r14,即lr,其是在前面調用clock_init的時候,用的是bl指令,所以會自動把跳轉時候的pc的值賦值給lr,所以也不需要push指令去將PC的值保存到棧中。而clock_init的代碼的最後一行:33d009f8:e1a0f00e mov pc, lr就是我們常見的movpc,lr,把lr的值,即之前保存的函數調用時候的PC值,賦值給現在的PC,這樣就實現了函數的正確的返回,即返回到了函數調用時候下一個指令的位置。這樣CPU就可以繼續執行原先函數內剩下那部分的代碼了。
(2)CopyCode2Ram部分的代碼其第一行:33d0091c:e92d4070 push {r4, r5, r6, lr}就是我們所期望的,用push指令,保存了r4,r5,r以及lr。用push去保存r4,r5,r6,那是因爲所謂的保存現場,以後後續函數返回時候再恢復現場,而用push去保存lr,那是因爲此函數裏面,還有其他函數調用:33d0092c:  ebffffef  bl  33d008f0 <bBootFrmNORFlash>
......
33d00984:  ebffff14  bl  33d005dc <nand_read_ll>
......也用到了bl指令,會改變我們最開始進入clock_init時候的lr的值,所以我們要用push也暫時保存起來。而對應地,CopyCode2Ram的最後一行:33d009ac:e8bd8070 pop {r4, r5, r6,pc}就是把之前push的值,給pop出來,還給對應的寄存器,其中最後一個是將開始push的lr的值,pop出來給賦給PC,因爲實現了函數的返回。另外,我們注意到,在CopyCode2Ram的倒數第二行是:33d009a8:e3a00000 mov r0, #0 ;0x0是把0賦值給r0寄存器,這個就是我們所謂返回值的傳遞,是通過r0寄存器的。此處的返回值是0,也對應着C語言的源碼中的“return0”.
對於使用哪個寄存器來傳遞返回值:當然你也可以用其他暫時空閒沒有用到的寄存器來傳遞返回值,但是這些處理方式,本身是根據ARM的APCS的寄存器的使用的約定而設計的,你最好不要隨便改變使用方式,最好還是按照其約定的來處理,這樣程序更加符合規範。


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