MIPS架构上函数调用过程的堆栈和栈帧

转载于CSDN：http://blog.csdn.net/do2jiang/article/details/5404566

　　在计算机科学中，Call stack是指存放某个程序的正在运行的函数的信息的栈。Call stack和stack frames组成，每个stack frame对应于一个未完成运行的函数。

　　在当今流行的计算机体系架构中，大部分计算机的参数传递，局部变量的分配和释放都是通过操纵程序栈来实现的。栈用来传递函数参数，存储返回值信息，保存寄存器以供恢复调用前处理机状态。每次调用一个函数，都要为该次调用的函数实例分配栈空间。为单个函数分配的那部分栈空间就叫做stack frame，也就是说，stack frame这个说法主要是为了描述函数调用关系的。

　　Stack frame组织方式的重要性和作用体现在两个方面：

　　第一：它使调用者和被调用者达成某种约定。这个约定定义了函数调用时函数参数的传递方式，函数返回值的返回方式，寄存器如何在调用者和被调用者之间进行共享。

　　第二：它定义了被调用者如何使用它自己的stack frame来完成局部变量的存储和使用。

1. 上图描述的是一种典型的（MIPS 32)嵌入式芯片的stack frame组织方式。
2. 这张图中，计算机的栈空间采用的是向下增长的方式。
3. sp(stack pointer)就是当前函数的栈指针，它指向的是栈底的位置。
4. Current Frame所示即为当前函数（被调用者）的frame。
5. Caller's Frame是当前函数的调用者的frame。
6. 每个frame中所存放的内容和存放顺序，则由目标体系架构的调用约定（calling convention)定义。
7. MIPS O32调用约定规定了所占空间不大于4个比特的参数应该放在从$4到$8的寄存器中，剩下的参数应该依次放到调用者stack frame的参数域中，并且在参数域中需要前四个参数保留栈空间。
8. 如果被调用者需要使用$16到$23这些保留寄存器（saved register)，就必须先将这些保留寄存器的值保存在被调用者stack frame的保留寄存器域中，当被调用者返回时恢复这些寄存器值。
9. 当被调用者不是叶子函数时，即被调用者中存在对其它函数的调用，需要将RA（return address)寄存器($31)值保存到被调用者stack frame的返回值域中。
10. 被调用者所需要的局部变量，应保存在被调用者stack frame的本地变量域中。

1. 在没有BP(base pointer)寄存器的目标架构中，进入一个函数时需要将当前栈指针向下移动n比特，这个大小为n比特的存储空间就是此函数的stack frame的存储区域。此后栈指针便不再移动，智能在函数返回时再将栈指针上这个偏移量恢复栈现场。由于不能随便移动栈指针，所以寄存器压栈和出栈都必须指定偏移量。

1. 在RISC计算机中主要参与计算的是寄存器，saved registers就是指在进入一个函数后，如果某个保存原函数信息的寄存器会在当前函数中被使用，就应该将此寄存器保存到堆栈上，当函数返回恢复此寄存器值。而且由于RISC计算机大部分采用定长指令或者定变长指令，一般指令长度不会超过32个位。而现代计算机的内存地址范围已经扩展到32位，这样在一条指令里就不足以包含有效的内存地址，所以RISC计算机一般借助于一个返回地址寄存器RA来实现函数的返回。几乎在每个函数调用中都会使用到这个寄存器，所以在很多情况下RA寄存器会被保存在堆栈上以避免被后面的函数调用修改，当函数需要返回时，从堆栈上取回RA然后跳转。移动SP和保存寄存器的动作一般处在函数的开头，叫做function prologue；恢复这些寄存器状态的动作一般放在函数的最后，叫做fuction epilogue。