ARM过程调用标准——APCS

APCS(ARM Procedure Call Standard)

1、ARM寄存器

ARM核支持9种工作模式——User/System/Hyp+/SVC/Abort/Undefined/Monitor/IRQ/FIQ。

ARM核包含37个通用寄存器（ARMv7架构8种工作模式时为37个通用寄存器）以及额外的专用寄存器，如CPSR(Current Processor Status Register)。

r0~r3通常用来作为函数入参(从左到右的顺序，大于4个参数使用栈来传递)和返回值。在函数内部，r0~r3也可以用来存储局部变量。

r12(IP)可能在函数调用时被链接器使用，在函数内部，也可以用来存储局部变量。

r9为平台特殊寄存器，不同应用场景，使用方式不一样。

r4~r8, r10和r11用来保存局部变量。r11通常用来作为FP(Frame Pointer)保存栈基地址。

r13为SP寄存器，即当前函数栈顶指针。

r14为LR寄存器，即当前函数的返回地址。

r15为PC寄存器，即将要执行的指令地址。

2、CPSR寄存器

CPSR为当前程序状态寄存器，存放以下内容：

1）APSR标记

2) 当前处理器模式

3) 中断禁用标志

4) 当前处理器状态(ARM/Thumb/ThumbEE/Jazelle等)

5) IT块的执行状态位

N(Negative Condition Flag) 计算结果为负数时为1，为0和正数时为0

Z(Zero Condition Flag) 计算结果为0时为1，否则为0

C(Carry Condition Flag) 进位标志，无符号数溢出为1

V(Overflow Condition Flag) 溢出标志，有符号数溢出为1

Q(Cumulative Saturation Bit) 累加和溢出标志，溢出时为1

PAN(Privileged Access Never) 特权级别

DIT(Data Independent Timing)

GE(Greater than or Equal flags) 大于或者等于标志

E(Endianness State Bit) 大小端标志，0为小端模式，1为大端模式

A(SError interrupt mask bit) Abort掩码标志 0-Exception not masked, 1-Exception masked

I(IRQ mask bit) IRQ掩码标志 0-Exception not masked, 1-Exception masked

F(FIQ mask bit) FIQ掩码标志 0-Exception not masked, 1-Exception masked

M(Current PE mode) 运行模式：

0b0000 User.
0b0001 FIQ.
0b0010 IRQ.
0b0011 Supervisor.
0b0110 Monitor.
0b0111 Abort.
0b1010 Hyp.
0b1011 Undefined.
0b1111 System.

3、进程、内存和栈

进程是一段执行代码的实例，在Linux系统种，进程在用户态和内核态可以访问的内存区域是不一样的。

进程可以访问的内存段分为五类：

1）代码段，只读

2）只读静态数据段

3）可读写静态数据段（可进一步划分为初始化数据段、初始化为零数据段、未初始化数据段）

4）堆（堆空间的内存是由进程自己管理的，如使用malloc()/free()申请和释放）

5）栈（以上五类内存段中，只有栈空间需要分配一段连续的内存段）

一个进程必须有至少一个代码段，以及一个栈空间，其他的内存段都不是必需的。

3.1、栈

ARM的栈是满递减栈(full-descending)，SP(r13)寄存器保存栈顶指针。栈必须满足以下条件：

1）Stack-limit < SP <= stack-base （栈大小为stack-base - SP）

2）SP必须是4字节对齐，对于公共接口，SP必须8字节对齐

3.2、C程序存储布局

ARM平台的进程内存空间布局如上图，栈从上往下增长，堆从下往上增长，堆以下的低地址依次为代码段、初始化数据段、未初始化数据段(BSS)。

1）初始化数据段，静态内存分配，存储初始化的全局变量

2）未初始化数据段，静态内存分配，存储未初始化全局变量

3.3、变量

变量有三个属性：

1）变量类型（int,float,double,char,...）

2）声明位置（全局变量，局部变量）

3）存储类别，决定变量的存储位置

4、函数调用

ARM和Thumb指令集均使用BL指令实现带返回的函数跳转，BL指令将当前PC值（下一条执行指令地址）保存到LR寄存器中，然后往PC寄存器写入被调函数入口地址。

Thumb模式LR寄存器的最低位为1，ARM模式LR寄存器的最低位为0。

4.1、栈帧(Stack Frame)

函数调用过程中的一个很重要的概念就是栈帧，每一级调用函数一个栈帧，在进程栈空间中相邻的连续内存段。函数调用时，首先压栈LR和FP，即保存函数返回地址和栈基地址（上一级函数SP-4）。