ARM寄存器与ATPCS/AAPCS

ARM寄存器与ATPCS/AAPCS

整理于《ARM体系结构与编程》

为了使单独编译的C语言程序和汇编语言之间能够相互调用，必须为子程序间的调用制定一定规则。

• ATPCS (ARM-Thumb Procedure Call Standard)

• AAPCS (ARM Archtecture Procedure Call Standard)

AAPCS ≈ ATPCS plus

零.ARM处理器的运行模式

处理器模式	描述
用户模式	正常程序执行模式
快速中断模式	用于高速数据传输和通道处理
外部中断模式	用于通常的中断处理
特权模式	供操作系统使用的一种保护模式
数据访问中止模式	用于虚拟存存储及存储保护
未定义指令中止模式	用于支持通过软件仿真硬件的协处理器
系统模式	用于运行特权级的操作系统任务

0.1 Cortex-M 系列来讲

两种操作状态：

- 调试模式
- Thumb状态(无ARM指令集)

两种模式：

• 处理模式：执行中断服务，总是具有特权访问
• 线程模式：执行普通应用程序代码

运行模式：

• 特权访问
• 非特权访问

一. 寄存器

37个寄存器

• 31个通用寄存器
  • 未备份寄存器 R0 - R7
  • 备份寄存器 R8 - R14
  • 通用寄存器 R15 (PC)
• 6个状态寄存器

二.通用寄存器

2.1 未备份寄存器

在所有运行模式下，都是同一个寄存器

2.2 备份寄存器

R8 - R12

仅有两组寄存器，即usr和fiq

R13

习惯上用作Stack寄存器，每种异常模式，都有自己的R13寄存器，在进入异常模式时，可用R13保存栈指针，退出异常模式时，可保存完整的上下文。

R14 ：Link Register

• 存放当前子程序的返回地址
• 异常中断发生时，该异常模式的R14用于返回地址

R15:程序指针寄存器

流水线机制，其值为当前指令+N

2.3 通用寄存器

CPSR：当前程序状态寄存器

SPSR：备份程序状态寄存器

• 条件标志位

• Q标志位

• CPSR控制位：处理器模式

三. ATPCS

3.1 什么是ATPCS？

ARM程序和Thumb程序中子程序调用规则

• 各寄存器使用规则及相应名称
• 数据栈使用规则
• 参数传递规则

3.2 各寄存器使用规则及相应名称

R0 - R3 ： 子程序传递参数

R4 - R11：子程序保存局部变量

R12：子程序间的scratch寄存器，记为IP 暂存寄存器 ?

R13：sp，栈指针寄存器。在进入子程序时，和退出子程序时，值必须相等。

R14：lr，用于保存子程序的返回值

R15：PC

;Uboot程序中主程序调用 cpu_init_crit函数，在这个cpu_init_crit函数中有下面的代码：

mov ip, lr
bl lowlevel_init
mov lr, ip
mov pc, lr

;这个代码在调用lowlevel_init函数之前，先将lr存储在R12，
;之后在lowlevel_init函数调用返回之后使用mov lr,ip
;将之前保存的返回地址再一次存储到lr寄存器。

3.3 数据栈使用规则

FULL栈：

栈指针，始终指向栈顶元素时

入栈时，需要移动栈指针

EMPTY栈：

栈指针，指向栈元素的下一个地址

入栈时，当前地址可直接使用

DESCENDING栈：

数据栈向内存地址减小的方向增长时

初始化栈的时候，从高地址开始存

ASCENDING栈：

数据栈向内存地址增加的方向增长时

初始化栈的时候，从低地址开始存

• **FD：**FULL DESCENDING （ ATPCS规定 ）

• **ED：**EMPTY DESCENDING

• FA： FULL ASCENDING

• EA： EMPTY ASCENDING

几个栈参数：

• Stack Pointer
• Stack Base
• Stack Limit
• Used Stack
• Unuesd Stack
• Stack Frames

3.4 参数传递规则

1.参数个数可变的子程序的参数传递规则

​ 不超过四个用R0 -R4,超过用数据栈

2.参数个数固定的子程序的参数传递规则

​ 浮点运算传递规则 + 同上规则

3.子程序结果返回规则

​ 32bit：R0

​ 64bit：R0 和 R1

​ 浮点数：浮点运算寄存器

四.典型数据结构