今天我想谈谈对于ARM的几个特殊寄存器的理解,即FP(Frame Pointer)、SP(Stack Pointer)和LR(Link Register)。
1、介绍
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FP(Frame Pointer):栈顶指针,指向一个栈帧(stack frame)的顶部。在函数发生跳转时,FP会记录当时栈的起始位置。 -
SP(Stack Pointer):栈指针,指向当前栈的位置。 -
LR(Link Register):链接寄存器,保存函数返回的地址。
对于gcc编译器,有一个与栈帧相关的优化选项。当添加了这个选项后,编译器会忽略FP栈顶指针。(需要确认的是,高版本的gcc默认是不加FP的,大概从gcc4.8开始)
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-fomit-frame-pointer
Don’t keep the frame pointer in a register for functions that don’t need one. This avoids the instructions to save, set up and restore frame pointers; it also makes an extra register available in many functions. It also makes debugging impossible on some machines.
(大概意思 )不需要栈帧的时候不要加这个编译选项,这可以节省很多指令去保存,传递和恢复,同时也省出一个寄存器可以在函数中做更多事情,也使得在某些机制下更容易去debug
arm cc5编译也有关于FP生成的编译选项,默认是不加的。
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–use_frame_pointer, –no_use_frame_pointer
Sets the frame pointer to the current stack frame. Using the –use_frame_pointer option reserves a register to store the 「frame pointer」. For newer processors that support Thumb-2 technology (ARMv6T2 and later), the reserved register is always R11. (arm v7)如果是arm v8 -a 系列,则是X29来表示。 For older processors that do not support Thumb-2 technology, the reserved register is R11 in ARM code and R7 in Thumb code. Default「The default is –no_use_frame_pointer」. That is, register R11 (or register R7 for Thumb code on older processors) is available for use as a general-purpose registe
2、作用
2.1 FP的作用
关于APCS(ARM Procedure Call Standard,ARM 程序调用标准)的说法 ,
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除非子程序没有修改链接寄存器,否则FP都需要记录有效的栈帧位置 -
其寄存器(r11或者x29)不能被用做一个通用型的寄存器
FP的主要作用就是用来「栈回溯」,找到子程序的调用关系,也成为backtrace,当然一级一级的子程序调用时,FP的记录也在变化,也会一级一级的保存到栈中,最后通过FP的值来反推出一级一级的调用关系。
以ARM CC5 编译器为例,其栈回溯的主要逻辑如下图所示:
通过上图可以看出,main->fun1->fun2,每调用一级的时候,都会将FP、LR以及参数等压栈,而每个FP指向了上一级的栈顶,通过保存关系,可以找到LR,从而找到上一级的调用函数。
具体的流程图就如右图所示,按照这样的方法可以找到backtrace,再比如可以通过stack memory查找调用栈信息,
左图为栈memory 右图为寄存器信息。
上图中:backtrace 第一级是寄存器中的LR,之后就是从栈中进入回溯来找到的。(FP、LR) 1、0x1F7BC 0x40BBAA4 2、0x1F7E4 0x18A3C 3、0x1F7EC 0x18818 4、 0x1F7F4 0x40A4108 5、 0x1F7FC 0x1594 6、 0x184BC 0x40A0015
图中 LR地址都-4 这是因为LR总是保存PC的下一个运行地址,所以找到PC进函数的位置,则需要LR-4可以得到。
图中 最后栈停止回溯,可以看到栈的边界到了0x1f800,所以停止,不然会继续一直进行回溯。
backtrace的C代码如下
void get_backtrace(u32 lr, u32 fP)
{
u8 backtrace_deep = 0
u32 stack_limit=getStackLimit()
u32 stack_base=getStackBase()
printf("Bactrace info:\n")
do{
if((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("\n");
}
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2.2 SP的作用
sp 为栈指针,通过push pop 实现对栈存储的访问,栈主要是用来存储局部变量 中间值 等数据,同样和全部变量等存储的区域一样,也是一块memory,没有任何区别,只是使用的方式不一样。
接下来简单介绍一下各个处理器架构的SP指针。
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CortexM3/4(ARMv7)
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CortexM3/4中,「SP分为MSP与PSP」,主栈与线程栈,任何时刻只有一个栈指针有效,通过「CONTROL 寄存器」来选择栈指针。 -
程序刚运行时就处在主栈(特权模式),之后可以切到线程栈(非特权模式),之所以设置这样的原因是,一般OS会运行在主栈,而应用程序出在线程栈,应用程序即使出错,也不会影响OS的运行,也不会影响主栈。通过简单的程序无需这样运行,直接在主栈特权模式下面运行就可以。 -
MSP的初值通过存储器的第一个DWORD中获取。 -
MSP与PSP 都是32位,低两位均是0.
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CortexR5(Cortexv7)
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Cortex R5系列比较复杂,继承了多种工作模式的特性,大多数模式下都有独立的栈。
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总共七种工作模式,SYS/FIQ/SYS/SVC/ABORT/IRQ/UND 以及USER,前面六种都是特权模式 后面是用户模式也是非特权模式。可以看到基本都有独立的栈寄存器,意味着每个模式下可以设置独立的栈空间
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CortexA53 (ARMv8 -A系列)
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其有变化了 分为EL1 EL2 EL3 EL4四种模式(AArch64状态)。每种模式下有自己的SP指针,SP_EL0,SP_EL1,SP_EL2,SP_EL3。通过SPSel来选择是哪一种的SP指针。 -
image-20240107201119634 -
SP_EL1t 代表SP_EL0的指针,SP_ELxH代表相应等级下的SP指针。 -
如果用作基址运算时,SP的低四位[3:0]必须为0,否则会产生SP非对齐异常,系统自动会进行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
由下图可以看到EL3下的SP有值,且与系统的SP值相同(X15下面),则处于EL3模式。
2.3 LR的作用
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LR为程序跳转时需要用到的寄存器,用来保存「返回地址」(同时也包含异常返回地址)。
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程序经常会存在调用关系,当程序执行完子程序之后,肯定会返回到主程序,这是返回到主程序的地址就是在LR保存。
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在一些CorteM系列的处理,LR的第0位会置1 表示,表示Thumb状态。
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当然没有LR这个寄存器也可以的,直接将返回地址保存到栈中,最后执行完之后弹出到PC也行,但是寄存器的访问速度可以远高于栈(存储器SRAM),所以LR的作用还是很明显的。
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此外对应ARMv8系列,还有ELR寄存器,对应的是异常状态下的返回地址。
a. 当程序执行到异常时,异常的返回地址保存到ELR中,当然ARMv8有四种模式,EL0没有异常处理,所以只有三个ELR寄存器,处理三种异常时的返回地址。 b. AArch32到AArch64状态时,保存的是32位的地址,高8位均为0。
2.3.1 LR的地址保存
当假如程序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
}
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程序A调用B程序,此时LR更新为「2地址」, -
跳转到B程序时,B发现还要跳转到C程序,所以LR会被覆盖,所以在B程序开始的时候,会讲LR保存到栈中。 -
挑转到C程序时,此时LR更新到「4地址」, -
C程序执行开始时,发现没有子程序跳转了,所以此时的LR不会被覆盖,所以也不需要将LR保存,退出时直接跳转到「4地址」即可。 -
B程序执行完时,发现LR还是错的,会将压栈的LR弹出,这样程序就可以回到「2地址」。 -
如此一来,程序就完成调用过程,全部执行完毕。
2.3.2 接着来说跳转的指令
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B
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用法:B Lable,直接跳转Lable处的地址,不改变LR,有限范围内的跳转,是不返回的跳转。可以看到上图B跳转的地址 就是在附近,说明可能是跳到后面的程序的指令,不带返回的。 -
image-20240107201130050
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BL
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用法:BL Lable,将LR=PC+4,(比如在32位程序上+4,Thumb是+2,64位程序上可能是+8)然后跳转到Lable地址,带链接的挑战,说明还会回来的。图中0x8000F300 地址不在该程序范围内,说明是跳到其他地址处 执行完成之后,w0是返回值,然后再跳到此次,是带链接的跳转。 -
image-20240107201132608
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BX:
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用法:BX Lable,跳转到对应Label地址,Lable中最后一位(bit)为指令集标志,1表示Thumb,0表示ARM状态,可能会进行模式切换,是不返回的跳转。 -
用法:BX reg,跳转到 reg里面保存的地址,同上,可能会切换模式。该程序直接跳到lr所指示的地址,即返回地址。 -
image-20240107201135529
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BLX:
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用法:BLX Lable,跳转到对应Label地址,可能会切换模式,同时LR保存了返回的地址。 -
用法:BLX reg,跳转到 reg里面保存的地址,可能会切换模式,同时LR保存了返回的地址。
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BR:
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用法:BR reg,跳转到 reg里面保存的地址,是不返回的跳转。
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BLR:
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用法:BLR reg,跳转到 reg里面保存的地址,同时LR保存了返回的地址。
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B.
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用法:B.Cond label,根据状态位进行跳转,比如 ZCNV 等状态位, -
例如:BHI Lable 、BCS Lable -
image-20240107201138398 -
b.cs 如果w8 >= 0x397 则跳到0x800c0988地址处。 -
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