c - ARM:链接寄存器和帧指针

Question

我试图了解链接寄存器和帧指针在ARM中的工作方式。我去过几个站点，我想确认自己的理解。

假设我有以下代码:

int foo(void)
{
    // ..
    bar();
    // (A)
    // ..
}

int bar(void)
{
    // (B)
    int b1;
    // ..
    // (C)
    baz();
    // (D)
}

int baz(void)
{
    // (E)
    int a;
    int b;
    // (F)
}

然后我叫foo()。链接寄存器是否将包含代码在(A)点的地址，而帧指针将包含在代码在(B)点的地址？在所有本地变量都声明之后，堆栈指针可能在bar()内的任何位置？

Answer 1

某些寄存器调用约定取决于ABI(应用程序二进制接口(interface))。 APCS 标准中需要FP，而不是较新的 AAPCS (2003)中需要。对于 AAPCS (GCC 5.0+)，FP没有使用，但可以使用。带有堆栈和帧指针的debug info is annotated用于与 AAPCS 一起进行堆栈跟踪和展开代码。如果函数是static，则编译器实际上不必遵守任何约定。

通常，所有ARM寄存器都是通用的。 lr(链接寄存器，也为R14)和pc(程序计数器也为R15)是特殊的，并包含在指令集中。您是正确的，lr将指向 A 。 pc和lr是相关的。一个是“你在哪里”，另一个是“你在哪里”。它们是函数的代码方面。

通常，我们有sp(堆栈指针R13)和fp(frame pointer R11)。这两个也是相关的。这个
Microsoft layout很好地描述了事物。堆栈用于存储函数中的临时数据或本地数据。 foo()和bar()中的任何变量都存储在此处，堆栈中或可用的寄存器中。 fp跟踪函数之间的变量。它是该功能在堆栈上的框架或图片窗口。 ABI定义了此框架的布局。通常，编译器会将lr和其他寄存器以及fp的先前值保存在幕后。这将形成堆栈框架的链接列表，如果需要，可以一直追溯到main()。根是fp，它指向一个堆栈帧(如struct)，struct中的一个变量是前一个fp。您可以遍历列表，直到最终的fp(通常为NULL)。

因此，sp是堆栈所在的位置，fp是堆栈所在的位置，非常类似于pc和lr。每个旧的lr(链接寄存器)都存储在旧的fp(帧指针)中。 sp和fp是函数的数据方面。

您的点 B 是 Activity 的pc和sp。点 实际上是fp和lr；除非调用另一个函数，否则编译器可能已准备就绪，可以设置fp指向 B 中的数据。

以下是一些ARM汇编程序，可能会演示这一切如何工作。取决于编译器的优化方式，这会有所不同，但是应该给出一个主意，

; Prologue - setup
mov     ip, sp                 ; get a copy of sp.
stmdb   sp!, {fp, ip, lr, pc}  ; Save the frame on the stack. See Addendum
sub     fp, ip, #4             ; Set the new frame pointer.
    ...
; Maybe other functions called here.

; Older caller return lr stored in stack frame.
bl      baz
    ...
; Epilogue - return
ldm     sp, {fp, sp, lr}       ; restore stack, frame pointer and old link.
    ...                        ; maybe more stuff here.
bx      lr                     ; return.

这就是 foo()的样子。如果您不调用 bar()，那么编译器将进行叶优化，并且不需要保存框架；只需要 bx lr。这很可能就是为什么您对网络示例感到困惑的原因。它并不总是相同的。

外卖应该是

pc和lr是相关的代码寄存器。一个是“您在哪里”，另一个是“您在哪里”。

sp和fp是相关的本地数据寄存器。一个是“本地数据在哪里”，另一个是“最后一个本地数据在哪里”。

与parameter passing一起创建功能机制。

很难描述一般情况，因为我们希望编译器尽可能快地实现和的快速发展，以便他们使用所有可能的技巧。

这些概念对于所有CPU和编译语言都是通用的，尽管细节可能有所不同。链接寄存器，帧指针的使用是 function prologue和结尾的一部分，如果您理解了所有内容，便知道堆栈溢出如何在ARM上工作。

另请参阅: ARM calling convention。
MSDN ARM stack article
University of Cambridge APCS overview
ARM stack trace blog
Apple ABI link

基本框架布局是

fp [-0]保存了pc，我们将其存储在此处。

fp [-1]保存了lr，此函数的返回地址。

fp [-2]上一个sp，此函数占用堆栈之前。

fp [-3]上一个fp，最后一个堆栈帧。

许多可选寄存器...

ABI 可以使用其他值，但是以上是大多数设置的典型值。上面的索引适用于32位值，因为所有ARM寄存器均为32位。如果您是以字节为中心的，请乘以四。帧也至少对齐四个字节。

附录:这在汇编程序中不是错误；这是正常的。 ARM generated prologs问题中有一个解释。