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鸿蒙内核源码分析(寄存器篇) | ARM37个寄存器一网打尽, 不再神秘

2024-12-03 09:55

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本篇说清楚寄存器

ARM系列篇基于ARM720T.pdf文档.

读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)arm体系系列篇.

寄存器的本质

寄存器从大一的计算机组成原理就开始听到它,感觉很神秘,如梦如雾多年.揭开本质后才发现,寄存器就是一个32位的存储空间,一个int变量而已,但它的厉害之处在于极高频率的使用,让人不敢相信是怎么做到的,不管再复杂再牛牛的应用程序,电商也好,游戏,直播也罢,到了它这里都变成了有限的十几个寄存器在玩,简直太神奇了. 本篇将清楚说明寄存器的数量和功能,至于它是如何把复杂的上层程序变成了这十几个寄存器来玩?这是编译器的事情,不在讨论范围之内.

ARM7有37个寄存器,具体看图说明:

这些寄存器不能同时显示,处理器指令状态和工作模式指定哪些寄存器可供使用,图中一一对应.

● 其中31个通用32位寄存器,系统和用户模式全程复用寄存器,而其余5中异常(或叫特权)模式从R8_* ~ R14_* 的寄存器叫模式专属寄存器.

● 注意 r8 和 r8_fiq是两个不同的寄存器,名字前缀是为了好记,管理方便,以示同级概念理解.如此凑成了31个寄存器.

● 其中r13寄存器用于SP寄存器,始终指向栈顶,因为每种工作模式都有独立的运行栈,所以有独立的寄存器去记住各自的栈顶.

● 同理r14寄存器用于LR寄存器,用于保存模式切换时的切换位置,也是独立存在,说明模式间回跳时并不需要重新给r14_*赋值,只需在跳出去的时候保存即可.

● 系统和用户模式共用r13(sp)和r14(lr)寄存器,所以在每个子函数的栈帧中都要保存上一个调用它函数的SP和LR值,自己执行完成后要从栈帧中恢复这两个寄存器的值,否则无法界定回去后从哪里开始,从哪里计算偏移位置.

● r15(pc)寄存器是指向代码段的,所有模式复用的原因是它是共用的,一份代码,你运行与不允许,代码段就在哪里,不增不减.

● 6个状态寄存器,其中CPSR(1个)和SPSR_*(5个),它们主要用于自运行或发生模式切换后的各种状态保存.

● CPSR:程序状态寄存器(current program status register) (当前程序状态寄存器)，在任何处理器模式下被访问。

● SPSR:程序状态保存寄存器(saved program status register),每一种处理器模式下都有一个状态寄存器SPSR,SPSR用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。当特定 的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。

七种工作模式

关于工作模式在 鸿蒙内核源码分析(总目录)之工作模式篇中有详细,可自行前往查看.此处只简单说明下. 下图来源于 ARM720T.pdf第43页,在ARM体系中,CPU工作在以下七种模式中:

● 用户模式(usr)：属于正常的用户模式，不能直接切换到其他模式,ARM处理器正常的程序执行状态。

● 快速中断模式(fiq)：支持高速数据传输及通道处理，FIQ异常响应时进入此模式

● 外部中断模式(irq)：用于通用中断处理，IRQ异常响应时进入此模式

● 管理模式(svc)：操作系统保护模式，系统复位和软件中断响应时进入此模式(由系统调用执行软中断SWI命令触发)

● 数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于处理存储器故障、实现虚拟存储器和存储器保护。

● 系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务,与用户模式类似，但具有可以直接切换到其他模式等特权

● 未定义指令中止模式(und)：处理未定义的指令陷阱，当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。

除用户模式外，其余6种工作模式都属于特权模式

● 特权模式中除了系统模式以外的其余5种模式称为异常模式

● 大多数程序运行于用户模式

● 进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源

● 硬件权限级别：系统模式 > 异常模式 > 用户模式

● 快中断(fiq)与慢中断(irq)区别：快中断处理时禁止中断

每种模式都有自己独立的入口和独立的运行栈空间. 系列篇之CPU篇 已介绍过只要提供了入口函数和运行空间,CPU就可以干活了.入口函数解决了指令来源问题,运行空间解决了指令的运行场地问题. 而且在多核情况下,每个CPU核的每种特权模式都有自己独立的栈空间.注意是特权模式下的栈空间,用户模式的栈空间是由用户(应用)程序提供的.

R0 寄存器

R0是寄存器中的王牌,被称为头号寄存器,通用寄存器中它用的最高频,随便翻段汇编代码都能看到它的影子.鸿蒙开机第一跳指令就是 r0 = 0

  1. reset_vector: //鸿蒙开机代码 
  2.      
  3.     mov     r0, #0                  @r0 = 0 
  4.     mcr     p15, 0, r0, c13, c0, 4  @c0,c13 = 0, C13为进程标识符 含义见 ARM720T.PDF 第64页 
  5.      @禁用MMU, i/d缓存 
  6.     mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0   @r0 = c1 ,c1寄存器详细解释见第64页 
  7.     bic     r0, #(1<<12)            @位清除指令,清除r0的第11位 
  8.     bic     r0, #(1<<2 | 1<<0)      @清除第0和2位 ,禁止 MMU和缓存 0位:MMU enable/disable 2位:Cache enable/disable 
  9.     mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0   @c1=r0  

再看拿自旋锁的汇编代码,这些代码都在系列篇中详细讲解过,可前往鸿蒙内核源码分析(总目录)自行查看.

  1. FUNCTION(ArchSpinLock)  @非要拿到锁 
  2.     mov     r1, #1      @r1=1 
  3. 1:                      @循环的作用,因SEV是广播事件.不一定lock->rawLock的值已经改变了 
  4.     ldrex   r2, [r0]    @r0 = &lock->rawLock, 即 r2 = lock->rawLock 
  5.     cmp     r2, #0      @r2和0比较 
  6.     wfene               @不相等时,说明资源被占用,CPU核进入睡眠状态 
  7.     strexeq r2, r1, [r0]@此时CPU被重新唤醒,尝试令lock->rawLock=1,成功写入则r2=0 
  8.     cmpeq   r2, #0      @再来比较r2是否等于0,如果相等则获取到了锁 
  9.     bne     1b          @如果不相等,继续进入循环 
  10.     dmb                 @用DMB指令来隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中 
  11.     bx      lr          @此时是一定拿到锁了,跳回调用ArchSpinLock函数 

R0被潜规则的干了两件事,突出了它的重要性:

● 第一个参数 由R0保管,当然第二个参数就给R1保管

● 函数的返回值统一交给R0保管, 例如 a -> b ,b执行完会把返回值给r0,回到a后,a从r0取值,不管取到什么,它就认为这是b的返回值,默认都只认r0保存了返回值,这就是规定.

具体看一个C函数和它的汇编,在系列篇也已经讲过,可自行翻看.

  1. //++++++++++++ square(c -> 汇编)++++++++++++++++++++++++ 
  2. int square(int a,int b){ 
  3.     return a*b; 
  4. } 
  5. square(int, int): 
  6.         sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给square分配栈空间,只用2个栈空间完成计算 
  7.         str     r0, [sp, #4]   @第一个参数入栈 
  8.         str     r1, [sp]       @第二个参数入栈 
  9.         ldr     r1, [sp, #4]   @取出第一个参数给r1 
  10.         ldr     r2, [sp]       @取出第二个参数给r2 
  11.         mul     r0, r1, r2     @执行a*b给R0,返回值的工作一直是交给R0的 
  12.         add     sp, sp, #8     @函数执行完了,要释放申请的栈空间 
  13.         bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处 
  14. //++++++++++++ fp(c -> 汇编)++++++++++++++++++++++++ 
  15. int fp(int b) 
  16. { 
  17.     int a = 1; 
  18.     return square(a+b,a+b); 
  19. } 
  20. fp(int): 
  21.         push    {r11, lr}      @r11(fp)/lr入栈,保存调用者main的位置 
  22.         mov     r11, sp        @r11用于保存sp值,函数栈开始位置  
  23.         sub     sp, sp, #8     @sp减去8,意思为给fp分配栈空间,只用2个栈空间完成计算 
  24.         str     r0, [sp, #4]   @先保存参数值,放在SP+4,此时r0中存放的是参数 
  25.         mov     r0, #1         @r0=1 
  26.         str     r0, [sp]       @再把1也保存在SP的位置 
  27.         ldr     r0, [sp]       @把SP的值给R0 
  28.         ldr     r1, [sp, #4]   @把SP+4的值给R1 
  29.         add     r1, r0, r1     @执行r1=a+b 
  30.         mov     r0, r1         @r0=r1,用r0,r1传参 
  31.         bl      square(int, int)@先mov lr, pc 再mov pc square(int, int)    
  32.         mov     sp, r11        @函数执行完了,要释放申请的栈空间  
  33.         pop     {r11, lr}      @弹出r11和lr,lr是专用标签,弹出就自动复制给lr寄存器 
  34.         bx      lr             @子程序返回,等同于mov pc,lr,即跳到调用处 

这段代码同样适用于理解以下的各个寄存器.

R7 寄存器

为啥要单独讲R7寄存器,因为它偶尔作为特殊寄存器在使用.内核对上层应用提供了数百个系统调用功能,当发生系统调用时,在CPU工作模式切换过程中,系统调用号是一直保存在R7寄存器中的,通过系统调用号就能查询到对应的注册函数.具体在 系统调用篇中有详细的过程说明,这里只列出部分代码

  1. //4个参数的系统调用时底层处理 
  2. static inline long __syscall4(long n, long a, long b, long c, long d) 
  3. { 
  4.     register long a7 __asm__("a7") = n; //将系统调用号保存在R7寄存器 
  5.     register long a0 __asm__("a0") = a; //R0 
  6.     register long a1 __asm__("a1") = b; //R1 
  7.     register long a2 __asm__("a2") = c; //R2 
  8.     register long a3 __asm__("a3") = d; //R3 
  9.     __asm_syscall("r"(a7), "0"(a0), "r"(a1), "r"(a2), "r"(a3)) 
  10. } 
  11. //切换到SVC模式后,由汇编代码调用由C语言实现的系统调用统一入口 
  12. LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs) 
  13. { 
  14.     UINT32 ret; 
  15.     UINT8 nArgs; 
  16.     UINTPTR handle; 
  17.     UINT32 cmd = regs[REG_R7];// 从R7寄存器中取出系统调用号 
  18.     handle = g_syscallHandle[cmd];//查询系统调用的注册函数  
  19.     //... 
  20. } 

fp(R11) 寄存器

R11：可以用作通用寄存器，在开启特定编译选项时可以用作帧指针寄存器FP，用来实现栈回溯功能。 GNU编译器(gcc)默认将R11作为存储变量的通用寄存器，因而默认情况下无法使用FP的栈回溯功能。为支持调用栈解析功能，需要在编译参数中添加-fno-omit-frame-pointer选项，提示编译器将R11作为FP使用。

FP寄存器(Frame Point)，帧指针寄存器，指向当前函数的父函数的栈帧起始地址。利用该寄存器可以得到父函数的栈帧，从栈帧中获取父函数的FP，就可以得到祖父函数的栈帧，以此类推，可以追溯程序调用栈，得到函数间的调用关系。

在鸿蒙内核R11是当FP寄存器使用.

SP(R13) 寄存器

SP:栈指针寄存器(stack pointer),指向函数栈的栈顶,如此 fp 和 sp 就划定了函数栈的范围,函数在运行期间除了动态申请的内存要跑出去玩,其余就在这块空间里玩.

在鸿蒙内核R13是当SP寄存器使用.

LR(R14) 寄存器

异常的发生会导致程序正常运行的被打断， 并将控制流转移到相应的异常处理(异常响应)，有些异常(fiq、irq)事件处理后，系统还希望能回 到当初异常发生时被打断的源程序断点处继续完成源程序的执行(异常返回)，这就需要一种解决方案， 用于记录源程序的断点位置，以便正确的异常返回。 类似的还有子程序的调用和 返回。在主程序中(通过子程序调用指令)调用子程序时，也需要记录下主程序中的调用点位置，以便将来的子程序的返回。 LR:链接寄存器(linked pointer),就是用来解决上述问题的,ARM处理器中使用 R14实现对断点和调用点的记录，即R14用作返回连接寄存器(LR),确保回来知道自己从哪个位置中断,以便继续执行.

在鸿蒙内核R14是当LR寄存器使用.

PC(R15) 寄存器

pc:程序计数寄存器(Program Counter Register) 向代码段取指令,指向代码段具体位置,PC寄存器涉及到arm的流水线结构设计,具体在后续流水线篇中详细说明,敬请关注. 在鸿蒙内核R15是当PC寄存器使用.

CPSR 寄存器

CPSR(current program status register)当前程序的状态寄存器 CPSR有4个8位区域：标志域(F)、状态域(S)、扩展域(X)、控制域(C) 32 位的程序状态寄存器可分为4 个域：

位[31：24]为条件标志位域，用f 表示;

位[23：16]为状态位域，用s 表示;

位[15：8]为扩展位域，用x 表示;

位[7：0]为控制位域，用c 表示;

CPSR和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义. 而CPSR寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息.

CPSR的低8位(包括I、F、T和M[4：0])称为控制位，程序无法修改, 除非CPU运行于特权模式下,程序才能修改控制位

N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变， 并且可以决定某条指令是否被执行!意义重大!

● CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为负. 如果为负 N = 1,如果是非负数 N = 0.

● CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为0. 如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0,那么Z = 0.

● CPSR的第29位是C，进位标志位(Carry)。一般情况下,进行无符号数的运算。 加法运算：当运算结果产生了进位时(无符号数溢出)，C=1，否则C=0。 减法运算(包括CMP)：当运算时产生了借位时(无符号数溢出)，C=0，否则C=1。

● CPSR的第28位是V，溢出标志位(Overflow)。在进行有符号数运算的时候， 如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。

MSR{条件} 程序状态寄存器(CPSR 或SPSR)_<域>，操作数 MSR 指令用于将操作数的内容传送到程序状态寄存器的特定域中 示例如下：

  1. MSR CPSR，R0   @传送R0 的内容到CPSR 
  2.     MSR SPSR，R0   @传送R0 的内容到SPSR 
  3.     MSR CPSR_c，R0 @传送R0 的内容到CPSR，但仅仅修改CPSR中的控制位域 

MRS{条件} 通用寄存器，程序状态寄存器(CPSR 或SPSR) MRS 指令用于将程序状态寄存器的内容传送到通用寄存器中。该指令一般用在以下两种情况： 1) 当需要改变程序状态寄存器的内容时，可用MRS 将程序状态寄存器的内容读入通用寄存器，修改后再写回程序状态寄存器。 2) 当在异常处理或进程切换时，需要保存程序状态寄存器的值，可先用该指令读出程序状态寄存器的值，然后保存。 示例如下：

  1. MRS R0，CPSR   @传送CPSR 的内容到R0 
  2. MRS R0，SPSR   @传送SPSR 的内容到R0 
  3.                @MRS指令是唯一可以直接读取CPSR和SPSR寄存器的指令 

SPSR 寄存器

SPSR(saved program status register)程序状态保存寄存器.五种异常模式下一个状态寄存器SPSR，用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。

● 1、SPSR 为 CPSR 中断时刻的副本，退出中断后，将SPSR中数据恢复到CPSR中。

● 2、用户模式和系统模式下SPSR不可用,所以SPSR寄存器只有5个

留个问题

从R11 ~ R15 寄存器除了R12都用着专用寄存器,用作为特殊用途,单独独R12夹在中间不上不下的,这又是为什么呢?

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