寄存器和运行时栈

一、寄存器

1.1 通用寄存器GR

在LoongArch体系中，有32个通用寄存器，除了0号寄存器始终为0外，其他31个寄存器物理上没有区别。但系统人为添加了一些约定，给了它们特定的名字和使用方式。

PC不属于GR，只有一个，记录当前指令的地址。PC寄存器不能被指令直接修改，它只能被转移指令、例外陷入和例外返回指令间接修改。不过PC可以作为一些非转移类指令的源操作数而被直接读取，PC的宽度总是与GR一致。

对以上通用寄存器详细说明：

• $zero寄存器中存放的值永远是零，且不能改变，这个寄存器的用途主要是方便编码。
• $ra 是一个临时寄存器，控制流到达callee瞬间的 $ra 的值是callee的返回地址，且这个值只会被备份在栈帧中，callee返回指令是 jirl $r0,$ra,0 。
• $tp 用于支持 TLS （ thread-local storage ），是用户程序中一段线程独有的空间（ TLS block ）。TLS block容纳可执行文件及其所需动态库的所有 .tbss 和 .tdata 段，从而支持c的 _Thread_local 的变量（ errno 是一个典型）。原理是，归纳基础，在装载时求出TLS block的大小，从堆区分配空间赋值给 $tp （推广一下，调用栈也是TLS）；归纳步骤，在用户程序调用pthread接口创建线程时故技重施。也就是说， $tp 由c库维护，用户程序不应修改这个寄存器。如程序没有运行在c库之上，比如对于系统软件， $tp 只是一个没有用到的寄存器罢了
• $sp在整个程序执行过程中恒指向调用栈栈顶，是一个保存寄存器。控制流到达callee瞬间的 $sp 的值被称作 $sp on entry ，是一个frame pointer。。
• 通用寄存器有8个用于整型参数传递，寄存器名字依次是$a0～$a7(编号依次是$r4～$r11)，$a0和$a1也用于存放返回结果值；浮点寄存器也有8个用于浮点传递参数，寄存器名称依次是$fa0～$fa7，$fa0和$fa1也用于存放返回的浮点结果值。
• $t0~$t8 寄存器为临时寄存器，不需要暂存其值。
• $fp 是一个保存寄存器，但如果过程的栈帧可变，编译器会使用这个寄存器作为 frame pointer （栈帧不变部分的地址加常数偏移量，也指存放该值的寄存器）。所以，栈帧不变的函数的frame pointer是 $sp ，栈帧可变的函数的frame pointer是 $fp。

1.2 浮点寄存器FR

在LoongArch体系中，也有32个浮点寄存器，$fa0～$fa7为参数寄存器，共8个，$fa0和$fa1也用于存放返回的浮点结果值；$ft0～$ft15为临时寄存器，共16个。

当浮点寄存器中记录的是一个单精度浮点数或字整数时，数据总是出现在浮点寄存器的[31:0]位上，此时浮点寄存器的[63:32]位可以是任意值。

条件标志寄存器CFR

CFR总共有8个，记为fcc0～fcc7，每一个都可以读写，位宽均为1比特。浮点比较的结果将写入条件标志寄存器中比较结果为true置为1，否则置为0。浮点分支指令的判断条件来自于条件标志寄存器。

浮点控制状态寄存器FCSR

FCSR总共有4个，记为fcsr0～fcsr3，位宽均为32。其中fcsr1～fcsr3是fcsr0中部分域的别名，即访问fcsr1～fcsr3其实是访问fcsr0的某些域。当软件写fcsr1～fcsr3时，fcsr0对应的域被修改而其余比特保持不变。fcsr0的各个域的定义如下：

1.3 子程序调用时寄存器的保存方式

寄存器就像是全局变量一样，我们很难得知什么时候、哪一个函数更改了它的值。若要想安全地访问寄存器，最保险的方法是，每次在调用别的函数前，把寄存器的值保存到栈中。也就是说，在函数开始执行时，把所有寄存器的值压栈，而在函数内部执行return 指令返回的时候，把寄存器的值出栈，恢复函数调用前的状态。通过这个方法，各个函数就都可以随意使用所有的寄存器了。

这个方法的确是最安全的，但效率非常低。访问栈等价于访问机器内存，和单纯使用寄存器相比，访问内存的速度明显下降，所以要尽可能减少栈的使用次数。函数调用时并不是所有寄存器的值都需要保存，之所以要保存一个寄存器的值，是因为我们不想去更改这个寄存器的值。也就是说，如果是函数不会使用（不会变更）的寄存器，那么这个寄存器的值就不用保存。

此外，程序调用约定中指定了 caller-save 寄存器以及 callee-save 寄存器两种分类，以最大限度地重复利用寄存器。利用这个约定，可以进一步减少访问栈的次数。

• caller-save寄存器。由"函数"自己决定是否需要保护，操作由"主调函数"完成。为了防止被“被调函数”改变寄存器的值，在"主调函数"中调用“被调函数”之前将寄存器的值先入栈，待“被调函数”返回到"主调函数"后出栈。这类寄存器包括：参数寄存器（r4~r11/a0~a7）、临时寄存器（r12~r20/t0~t7）。
• callee-save寄存器。是为了确保函数调用前后"主调函数"中这些寄存器的值不变，操作由"被调函数"完成。在"被调函数"中一旦用到这些寄存器，就在首次用到时候就入栈保护，并在“被调函数”返回前出栈恢复数值，如此返回到"主调函数"后"主调函数"中这些寄存器的值不变。这类寄存器包括：保存寄存器（r23~r31/s0~s8、r22/fp、r3/sp）。

二、运行时栈

2.1 运行时栈的基本概念

常说的进程栈则是进程的运行时栈，运行时栈主要用来传递参数(寄存器不够用时)、存储程序的返回信息（寄存器不够用时）、保存寄存器中的值（临时存储一下，待寄存器需要的时候再复制回去）、以及存储局部变量。运行时栈的增长方向和地址增长方向相反，见下图。

栈有三个常用概念，栈低、栈帧和栈顶。栈帧是栈上存放信息的每一个位置，栈低是栈的最低部的栈帧，栈顶则是最顶部的栈帧。栈顶指针是栈顶的地址值，永远存放在寄存器$sp(x86是%rsp)中，寄存器$fp指向当前函数的栈帧开始处，CPU是通过改变寄存器$sp和寄存器$fp的值来控制运行时栈的。

栈采用后进先出的内存管理，其内存不需要显示释放和申请，在需要栈内存的时候，只需要将栈顶扩充($sp值减小)，释放栈内存的时候，将栈顶缩小($sp值增大)。编译器为函数在入口处生成一个函数头（Prologue），在返回处生成一个函数尾（Epilogue），它们负责调整$sp和$fp寄存器以生成新的栈帧或者释放一个栈帧，并生成必要的寄存器保存和恢复代码。

sp ->  -64 [ empty :        ] ^ (lower address)
       -56 [ tmp 1: _t0     ] |
       -48 [ tmp 0: _t0     ] |
       -40 [ loc 0: e       ] |
       -32 [ spill arg 3: d ] |
       -24 [ spill arg 2: c ] | stack growth
       -16 [ spill arg 1: b ] |
       -8  [ spill arg 0: a ] |
 fp -> +0  [ old fp         ] |  
       +8  [ return address ] | (higher address)

思考一个问题，$fp寄存器指向当前函数的开始处栈帧，$sp寄存器指向栈顶，则使用$fp或$sp都可以访问栈上的元素，是不是说只用$sp寄存器管理栈就ok，不需要用$fp？

• 大部分函数可以只用$sp来管理栈帧。如果在编译时能够确定函数的栈帧大小，编译器可以在函数头分配所需的栈空间（通过调整$sp），这样在函数栈帧里的内容都有一个编译时确定的相对于$sp的偏移，也就不需要帧指针$fp了。

  // 函数原型
  int testF(){
    int a = 1;
    return a;
  }
  // 生成LoongArch上面对应的汇编码
  testF:
    addi.d  $r3,$r3,-32
    st.d  $r22,$r3,24
    addi.d  $r22,$r3,32
    addi.w  $r12,$r0,1      # 0x1
    st.w  $r12,$r22,-20
    ldptr.w $r12,$r22,-20
    or  $r4,$r12,$r0
    ld.d  $r22,$r3,24
    addi.d  $r3,$r3,32
    jr  $r1 
  

• 但有时候可能无法在编译时确定一个函数的栈帧大小。在某些语言中，可以在运行时动态分配栈空间，如C程序的alloca调用，这会改变$sp的值。这时函数头会使用$fp寄存器，将其设置为函数入口时的$sp值，函数的局部变量等栈帧上的值则用相对于$fp的常量偏移来表示。

2.2 运行时栈字节对齐

许多计算机系统对基本数据类型的合法地址做了一些限制，要求某种类型对象所在的地址必须是某个值K的倍数。如char是1字节，short是2字节，int、float是4字节，long、double、char*是8字节。这种对齐限制简化了处理器和内存系统之间接口的硬件设计，比如我们在内存中读取一个8字节长度的变量，如果这个变量所在的地址是8的倍数，那么就可以通过一次内存操作完成该变量的读取。倘若这个变量所在的地址并不是8的倍数，可能就需要执行两次内存读取，因为该变量被放在两个8字节的内存块中了。

栈的字节对齐，实际是指栈顶指针必须是16字节的整数倍。栈对齐使得在尽可能少的内存访问周期内读取数据，不对齐堆栈指针可能导致严重的性能下降。所以在做编译器时要对程序实施数据对齐，也就需要定制一个标准：

• 任何内存分配函数（alloca, malloc, calloc或realloc）生成的块的起始地址都必须是16的倍数。
• 函数的栈帧的边界都必须是16字节的倍数。
• 在栈上传递的参数和局部变量，都要满足字节对齐，栈指针($sp)的起始地址必须要是16的倍数。

【参考书籍】
《计算机体系结构基础》第3版
《深入理解计算机系统》第3版
《计算机体系结构量化研究方法》第5版

最后

以上就是开心舞蹈为你收集整理的寄存器和运行时栈的全部内容，希望文章能够帮你解决寄存器和运行时栈所遇到的程序开发问题。

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