ARM開發中幾個常見的寄存器詳解

以ARM CC5 編譯器為例，其?；厮莸闹饕壿嬋缦聢D所示：

通過上圖可以看出，main->fun1->fun2，每調用一級的時候，都會將FP、LR以及參數等壓棧，而每個FP指向了上一級的棧頂，通過保存關系，可以找到LR，從而找到上一級的調用函數。

具體的流程圖就如右圖所示，按照這樣的方法可以找到backtrace，再比如可以通過stack memory查找調用棧信息，

?

左圖為棧memory 右圖為寄存器信息。

上圖中：backtrace 第一級是寄存器中的LR，之后就是從棧中進入回溯來找到的。（FP、LR）1、0x1F7BC 0x40BBAA42、0x1F7E4 0x18A3C3、0x1F7EC 0x188184、 0x1F7F4 0x40A41085、 0x1F7FC 0x15946、 0x184BC 0x40A0015

圖中 LR地址都-4 這是因為LR總是保存PC的下一個運行地址，所以找到PC進函數的位置，則需要LR-4可以得到。

圖中 最后棧停止回溯，可以看到棧的邊界到了0x1f800，所以停止，不然會繼續一直進行回溯。

backtrace的C代碼如下

void?get_backtrace(u32?lr，?u32?fP）
{
?u8?backtrace_deep?=?0
?u32?stack_limit=getStackLimit()
?u32?stack_base=getStackBase()
?
?printf("Bactrace?info:
")
?do{
??if((fp?<=?stack_base)?&&(fp?>=?stack_limit))
???break;
??lr?=?*(u32*)(fp)
??lr?(lr?==?OxFFFFFFFF?||?lr?==?0x0）
???break;
??fp=*(u32*)(fp-sizeof(u32))
??if(backtrace_deep++>MAX_BACKTRACE_DEPTH)
???break;
?}while(1);
?printf("
")；
}
12345678910111213141516171819

2.2 SP的作用

sp 為棧指針，通過push pop 實現對棧存儲的訪問，棧主要是用來存儲局部變量 中間值 等數據，同樣和全部變量等存儲的區域一樣，也是一塊memory，沒有任何區別，只是使用的方式不一樣。

接下來簡單介紹一下各個處理器架構的SP指針。

• CortexM3/4（ARMv7）

1. CortexM3/4中，「SP分為MSP與PSP」，主棧與線程棧，任何時刻只有一個棧指針有效，通過「CONTROL 寄存器」來選擇棧指針。
2. 程序剛運行時就處在主棧（特權模式），之后可以切到線程棧（非特權模式），之所以設置這樣的原因是，一般OS會運行在主棧，而應用程序出在線程棧，應用程序即使出錯，也不會影響OS的運行，也不會影響主棧。通過簡單的程序無需這樣運行，直接在主棧特權模式下面運行就可以。
3. MSP的初值通過存儲器的第一個DWORD中獲取。
4. MSP與PSP 都是32位，低兩位均是0.

• CortexR5（Cortexv7）

1. Cortex R5系列比較復雜，繼承了多種工作模式的特性，大多數模式下都有獨立的棧。

   

   ?

2. 總共七種工作模式，SYS/FIQ/SYS/SVC/ABORT/IRQ/UND 以及USER，前面六種都是特權模式 后面是用戶模式也是非特權模式?？梢钥吹交径加歇毩⒌臈＜拇嫫?，意味著每個模式下可以設置獨立的?？臻g

3. 

• CortexA53 (ARMv8 -A系列)

1. 其有變化了 分為EL1 EL2 EL3 EL4四種模式（AArch64狀態）。每種模式下有自己的SP指針，SP_EL0，SP_EL1，SP_EL2，SP_EL3。通過SPSel來選擇是哪一種的SP指針。

2. 

3. SP_EL1t 代表SP_EL0的指針，SP_ELxH代表相應等級下的SP指針。
4. 如果用作基址運算時，SP的低四位[3:0]必須為0，否則會產生SP非對齊異常，系統自動會進行check。

CheckSPAlignment()
?bits(64)?sp?=?SP[];
?if?PSTATE.EL?==?EL0?then
??stack_align_check?=?(SCTLR[].SA0?!=?'0');
?else
??stack_align_check?=?(SCTLR[].SA?!=?'0');
?if?stack_align_check?&&?sp?!=?Align(sp,?16)?then
??AArch64.SPAlignmentFault();
return;
123456789

由下圖可以看到EL3下的SP有值，且與系統的SP值相同（X15下面），則處于EL3模式。

2.3 LR的作用

1. LR為程序跳轉時需要用到的寄存器，用來保存「返回地址」（同時也包含異常返回地址）。

2. 程序經常會存在調用關系，當程序執行完子程序之后，肯定會返回到主程序，這是返回到主程序的地址就是在LR保存。

3. 在一些CorteM系列的處理，LR的第0位會置1 表示，表示Thumb狀態。

4. 當然沒有LR這個寄存器也可以的，直接將返回地址保存到棧中，最后執行完之后彈出到PC也行，但是寄存器的訪問速度可以遠高于棧（存儲器SRAM），所以LR的作用還是很明顯的。

5. 此外對應ARMv8系列，還有ELR寄存器，對應的是異常狀態下的返回地址。

   a. 當程序執行到異常時，異常的返回地址保存到ELR中，當然ARMv8有四種模式，EL0沒有異常處理，所以只有三個ELR寄存器，處理三種異常時的返回地址。b. AArch32到AArch64狀態時，保存的是32位的地址，高8位均為0。

6. 

2.3.1 LR的地址保存

當假如程序A->B->C，

void?A()
{
?....??//1地址
?B();??//;BL?B
?....?//2地址
?return;
}
void?B()
{
?....?//3地址
?C();?//BL?C
?....?//4地址
?return;??//pop?lr->PC
}
void?C()
{
?....
?return;?//B?LR
}
12345678910111213141516171819

1. 程序A調用B程序，此時LR更新為「2地址」，
2. 跳轉到B程序時，B發現還要跳轉到C程序，所以LR會被覆蓋，所以在B程序開始的時候，會講LR保存到棧中。
3. 挑轉到C程序時，此時LR更新到「4地址」，
4. C程序執行開始時，發現沒有子程序跳轉了，所以此時的LR不會被覆蓋，所以也不需要將LR保存，退出時直接跳轉到「4地址」即可。
5. B程序執行完時，發現LR還是錯的，會將壓棧的LR彈出，這樣程序就可以回到「2地址」。
6. 如此一來，程序就完成調用過程，全部執行完畢。

2.3.2 接著來說跳轉的指令

• B
  • 用法：B Lable，直接跳轉Lable處的地址，不改變LR，有限范圍內的跳轉，是不返回的跳轉?？梢钥吹缴蠄DB跳轉的地址 就是在附近，說明可能是跳到后面的程序的指令，不帶返回的。

  • 

• BL
  • 用法：BL Lable，將LR=PC+4，（比如在32位程序上+4，Thumb是+2，64位程序上可能是+8）然后跳轉到Lable地址，帶鏈接的挑戰，說明還會回來的。圖中0x8000F300 地址不在該程序范圍內，說明是跳到其他地址處 執行完成之后，w0是返回值，然后再跳到此次，是帶鏈接的跳轉。

  • 

• BX：
  • 用法：BX Lable，跳轉到對應Label地址，Lable中最后一位（bit）為指令集標志，1表示Thumb，0表示ARM狀態，可能會進行模式切換，是不返回的跳轉。
  • 用法：BX reg，跳轉到 reg里面保存的地址，同上，可能會切換模式。該程序直接跳到lr所指示的地址，即返回地址。

  • 

• BLX：
  • 用法：BLX Lable，跳轉到對應Label地址，可能會切換模式，同時LR保存了返回的地址。
  • 用法：BLX reg，跳轉到 reg里面保存的地址，可能會切換模式，同時LR保存了返回的地址。
• BR：
  • 用法：BR reg，跳轉到 reg里面保存的地址，是不返回的跳轉。
• BLR：
  • 用法：BLR reg，跳轉到 reg里面保存的地址，同時LR保存了返回的地址。
• B.
  • 用法：B.Cond label，根據狀態位進行跳轉，比如 ZCNV 等狀態位，
  • 例如：BHI Lable 、BCS Lable

  • 

  • b.cs 如果w8 >= 0x397 則跳到0x800c0988地址處。

  •