第3章4 ARM指令集及程序設計

1、3.4 ATPCS介紹1n完全使用匯編語言來編寫程序會非常的繁瑣，因此通常情況下，只是使用匯編程序來完成少量必須由匯編程序才能完成的工作，而其它工作則由C語言程序來完成。這樣一來，我們實際上就是在進行匯編和C的混合編程，甚至同一個程序的匯編源文件和C源文件是由不同的程序員編寫的。在這種情況下，要想使不同程序員編寫的匯編代碼和C代碼能耦合的很好，則必須有一個雙方都必須遵守的規(guī)則，這就是ATPCS規(guī)則。n為了使單獨編譯的C語言程序和匯編程序之間能夠相互調用，必須為子程序間的調用規(guī)定一定的規(guī)則。ATPCS就是ARM程序和Thumb程序中子程序調用的基本規(guī)則。什么是什么是ATPCS規(guī)則規(guī)則231 AT

2、PCS概述nATPCS規(guī)定了一些子程序間調用的基本規(guī)則。這些基本規(guī)則包括子程序調用過程中寄存器、數(shù)據(jù)棧的使用規(guī)則以及參數(shù)的傳遞規(guī)則。 n這些特定的調用規(guī)則包括：q支持數(shù)據(jù)棧限制檢查的ATPCS。q支持只讀段位置無關位置無關(ROPI)的ATPCS。q支持可讀寫段位置無關(RWPI)的ATPCS。q支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS。q處理浮點運算的ATPCS。41.1 ATPCS概述n使用ADS的C語言編譯器編譯的C語言子程序滿足用戶指定的ATPCS類型。n對于匯編語言程序來說，完全要依賴用戶來保證各子程序滿足選定的ATPCS類型。具體來說，匯編語言子程序必須滿足下面3個條件：

3、q在子程序編寫時必須遵守相應的ATPCS規(guī)則。q數(shù)據(jù)棧的使用要遵守相應的ATPCS規(guī)則。q在匯編編譯器中使用apcs選項。51.2 基本ATPCSn基本ATPCS規(guī)定了在子程序調用時的一些基本規(guī)則，包括下面3方面的內容：q各寄存器的使用規(guī)則及其相應的名稱。q數(shù)據(jù)棧的使用規(guī)則。q參數(shù)傳遞的規(guī)則。61.2.1 寄存器的使用規(guī)則n寄存器的使用必須滿足下面的規(guī)則。q子程序間通過寄存器R0R3來傳遞參數(shù)傳遞參數(shù)。 q在子程序中，使用寄存器R4R11來保存局部變量保存局部變量。 q寄存器R12用作子程序調用中臨時寄存器，記作ip。在子程序之間的連接代碼段中常常有這種使用規(guī)則。q寄存器R13用作數(shù)據(jù)棧指針，

4、記作sp。在子程序中寄存器R13不能用作其他用途。寄存器sp在進入子程序時的值和退出子程序時的值必須相等。q寄存器R14稱為鏈接寄存器，記作lr。 q寄存器R15是程序計數(shù)器，記作pc。它不能用作其他用途。71.2.2 數(shù)據(jù)棧使用規(guī)則n棧指針通?？梢灾赶虿煌奈恢?。當棧指針指向棧頂元素(即最后一個入棧的數(shù)據(jù)元素)時，稱為FULL棧；當棧指針指向與棧頂元素(即最后一個入棧的數(shù)據(jù)元素)相鄰的一個可用數(shù)據(jù)單元時，稱為EMPTY棧。n綜合這兩種特點可以有以下4種數(shù)據(jù)棧。qFD Full DescendingqED Empty DescendingqFA Full AscendingqEA Empty

5、Ascending81.2.2 數(shù)據(jù)棧使用規(guī)則n下面是一個數(shù)據(jù)棧的示例(如圖6.1所示)及其相關的名詞。 ?；刂?棧指針 棧的上限地址 已使用的 棧空間 未使用的 ?？臻g 棧中數(shù)據(jù) 91.2.2 數(shù)據(jù)棧使用規(guī)則q數(shù)據(jù)棧棧指針(stack pointer) 是指最后一個寫入棧的數(shù)據(jù)的內存地址。q數(shù)據(jù)棧的基地址(stack base) 指數(shù)據(jù)棧的最高地址。由于ATPCS中數(shù)據(jù)棧是FD類型的，實際上數(shù)據(jù)棧中最早入棧的數(shù)據(jù)占據(jù)的內存單元是基地址的下一個內存單元。q數(shù)據(jù)棧界限(stack limit) 是指數(shù)據(jù)棧中可以使用的最低的內存單元的地址。101.2.2 數(shù)據(jù)棧使用規(guī)則（續(xù)）q已占用的數(shù)據(jù)棧(u

6、sed stack) 是指數(shù)據(jù)棧的基地址和數(shù)據(jù)棧棧指針之間的區(qū)域。其中包括數(shù)據(jù)棧棧指針對應的內存單元，但不包括數(shù)據(jù)棧的基地址對應的內存單元。q未占用的數(shù)據(jù)棧(unused stack) 是指數(shù)據(jù)棧棧指針和數(shù)據(jù)棧界限之間的區(qū)域。其中包括數(shù)據(jù)棧界限對應的內存單元，但不包括數(shù)據(jù)棧棧指針對應的內存單元。q數(shù)據(jù)棧中的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀(stack frames) 是指在數(shù)據(jù)棧中，為子程序分配的用來保存寄存器和局部變量的區(qū)域。1.2.3 參數(shù)傳遞規(guī)則n根據(jù)參數(shù)個數(shù)是否固定，可以將子程序分為參數(shù)個數(shù)固定的子程序和參數(shù)個數(shù)可變化的子程序。n這兩種子程序的參數(shù)傳遞規(guī)則是不一樣的。參數(shù)個數(shù)可變子程序參數(shù)傳遞規(guī)則 n對于

7、參數(shù)個數(shù)可變的子程序，當參數(shù)個數(shù)不超過4個時，可以使用寄存器R0R3來傳遞參數(shù)；當參數(shù)超過4個時，還可以使用堆棧來傳遞參數(shù)。n在傳遞參數(shù)時，將所有參數(shù)看作是存放在連續(xù)的內存字單元的字數(shù)據(jù)。然后，依次將各字數(shù)據(jù)傳遞到寄存器R0，R1，R2和R3中。如果參數(shù)多于如果參數(shù)多于4個，則將剩余的字數(shù)據(jù)傳遞到堆棧中。個，則將剩余的字數(shù)據(jù)傳遞到堆棧中。入棧的順序與參數(shù)傳遞順序相反，即最后一個字數(shù)據(jù)先入棧。參數(shù)個數(shù)固定子程序參數(shù)傳遞規(guī)則n如果系統(tǒng)不包含浮點運算的硬件部件，浮點參數(shù)會通過相應的規(guī)則轉換成整數(shù)參數(shù)（若沒有浮點參數(shù)，此步省略），然后依次將各字數(shù)據(jù)傳送到寄存器R0R3中。如果參數(shù)多于4個，將剩余的字數(shù)

8、據(jù)傳送堆棧中，入棧的順序與參數(shù)順序相反，即最后一個字數(shù)據(jù)先入棧。在參數(shù)傳遞時，將所有參數(shù)看作是存放在連續(xù)的內存字單元的字數(shù)據(jù)。子程序結果返回規(guī)則n子程序中結果返回的規(guī)則如下：q結果為一個32位整數(shù)時，可以通過寄存器R0返回；q結果為一個64位整數(shù)時，可以通過寄存器R0和R1返回；q結果為一個浮點數(shù)時，可以通過浮點運算部件的寄存器f0、d0或s0來返回；q結果為復合型浮點數(shù)（如復數(shù)）時，可以通過寄存器f0fn或d0dn來返回；q對于位數(shù)更多的結果，需要通過內存來傳遞。 調用ARM匯編語言子程序n在ARM匯編語言中，子程序調用是通過BL指令完成的BL指令的語法格式如下：qBL subnameq其中

9、，subname是調用的子程序的名稱。nBL指令完成兩個操作：將子程序的返回地址放在LR寄存器中，同時將PC寄存器值設置成目標子程序的第一條指令地址。n在子程序返回時可以通過將LR寄存器的值傳送到PC寄存器中來實現(xiàn)。n子程序調用時通常使用寄存器R0R3來傳遞參數(shù)和返回結果。調用匯編子程序舉例n子程序DOADD完成加法運算，操作數(shù)放在R0和R1寄存器中，結果放在R0中。AREA EXAMPLE2, CODE, READONLYENTRYstartMOV r0, #10 ;R0設置輸入?yún)?shù)MOV r1, #3 ;R1設置輸入?yún)?shù)BLdoadd;調用子程序doadd.doaddADD r0, r0,

10、 r1 ;子程序實體MOVpc，lr ;從子程序中返回ENDint func1(int a, int b, int c, int d) return a+b+c+d;int caller1(void) return func1(1,2,3,4); func1 0 x000000 : ADD r0,r0,r1 0 x000004 : ADD r0,r0,r2 0 x000008 : ADD r0,r0,r3 0 x00000c : MOV pc,lr caller1 0 x000014 : MOV r3,#4 0 x000018 : MOV r2,#3 0 x00001c : MOV r1,#2

11、 0 x000020 : MOV r0,#1 0 x000024 : BL func1參數(shù)傳遞舉例參數(shù)傳遞舉例 (4 parameters)181.3 幾種特定的ATPCSn幾種特定的ATPCS是在遵守基本的ATPCS同時，增加一些規(guī)則以支持一些特定的功能：q支持數(shù)據(jù)棧限制檢查的ATPCS。q支持只讀段位置無關(ROPI)的ATPCS。q支持可讀寫段位置無關(RWPI)的ATPCS。q支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS。q處理浮點運算的ATPCS。191.3.1 支持數(shù)據(jù)棧限制檢查的ATPCS1. 支持數(shù)據(jù)棧限制檢查的ATPCSn基本原理q在進行數(shù)據(jù)棧的檢查時，使用寄存器r10

12、作為數(shù)據(jù)棧限制指針，這是寄存器r10記作sl，用戶在程序中不能控制該寄存器。2. 編寫遵守支持數(shù)據(jù)棧限制檢查的ATPCS的匯編語言程序q對于C/C+，在編譯時指定選項/swst，生產的目標代碼將遵守支持數(shù)據(jù)棧限制檢查的ATPCS。q對于匯編程序，用戶在編寫程序時必須滿足支持數(shù)據(jù)棧限制檢查的ATPCS所要求的規(guī)則，然后在匯編時指定選項/swst。201.3.2 支持只讀段位置無關(ROPI)的ATPCS1. 支持只讀段（代碼或數(shù)據(jù)）位置無關(ROPI)的ATPCS的應用場合q程序在運行期間動態(tài)加載到內存中；q在不同的場合，與不同的程序組合后加載到內存中；q在運行期間映射到不同的地址；2. 遵守支

13、持只讀段位置無關(ROPI)的ATPCS的程序設計（ADR/ADRL偽指令）q引用同一個ROPI段中的符號時必須是基于pc的；qROPI段對其它段的引用必須是絕對地址，或基于sb的可寫數(shù)據(jù)；211.3.3 支持可讀寫段位置無關(RWPI)的ATPCSn如果一個程序中所有的可讀寫段都是位置無關，則稱該程序遵守支持可讀寫段位置無關(RWPI)的ATPCS。使用支持可讀寫段位置無關(RWPI)的ATPCS可以避免必須將程序存放到特定的位置。這時寄存器R9通常用作靜態(tài)基址寄存器，記作sb。可重入的子程序可以在內存中同時有多個實例，各個實例擁有獨立的可讀寫段。在生成一個新的實例時，sb指向該實例的可讀寫

14、段。RWPI段中的符號的計算方法為：連接器首先計算出該符號相對于RWPI段中某一特定位置的偏移量，通常該特定位置選為RWPI段的第一個字節(jié)出；在程序運行時，將該偏移量加到sb上即可生成該符號的地址。221.3.4 支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCSn在編譯或者匯編時，使用/interwork告訴編譯器(或匯編器)生成的目標代碼遵守支持ARM程序和Thumb程序混合使用的ATPCS。它用在以下場合：q程序中存在ARM程序調用Thumb程序的情況。q程序中存在Thumb程序調用ARM程序的情況。q需要連接器來進行ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)切換的情況。n在下述情況下，使用選項/nointerwork。q程序中不包含Thumb程序。q用戶自己進行ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)切換。q其中，選項/nointerwork是默認的選項。231.3.5 處理浮點運算的ATPCSnATPCS支持VFP體系和FPA體系兩種不同的浮點硬件體系和指令集。兩種體系對應的代碼不兼容n相應地，ADS的編譯器和匯編器有下面6種與浮點數(shù)相關的選項：qfpu VFPqfpu FPAqfpu softVFPqfpu softVFP+VFPqfpu softFPAqfpu none241.3.5 處理浮點運算的ATPCSn當系統(tǒng)中包含有