7、ARM_栈 - 技术栈

概述

什么是栈：

栈的本质就是一段内存，程序运行时用于保存一些临时数据，如局部变量、函数的参数、返回值、以及程序跳转时需要保护的寄存器等

什么是压栈和出栈：

压栈就是把数据写入栈，就是写内存。

出栈就是把栈中的数据读出来，就是读内存。

什么是增栈和减栈：

增栈和减栈是对于压栈过程中的地址偏移方向的分类，增栈就是新的数据向高地址存，减栈就是新的数据向低地址存。

在下图中，DATA1存放到SP后，下一个数据DATA2存在高地址位置，这就是增栈；下一个数据DATA2存在低地址位置，这就是减栈

增栈与减栈的压栈和出栈过程中的SP指针偏移关系如下：

|------|----------|----------|
| 栈的分类 | 压栈 | 出栈 |
| 增栈 | SP向高地址偏移 | SP向低地址偏移 |
| 减栈 | SP向低地址偏移 | SP向高地址偏移 |

什么是满栈和空栈：

满栈与空栈是对于压栈过程中SP指针指向的位置是否有数据的分类，满栈就是SP指向的空间中就是栈中的数据，空栈就是SP指向的空间是一个没有数据的空间。

在下图中，当DATA2想要压栈时，SP指向的位置是DATA1的位置，这就是满栈；SP指向的位置是DATA1的下一个地址的位置，这就是空栈。究竟下一个地址是高地址还是低地址，这与增栈和减栈有关。

满栈与空栈的压栈过程中SP移动的过程如下：

|------|-----------|-----------|
| 栈的分类 | 压栈 | 出栈 |
| 满栈 | SP先偏移，再压栈 | 先出栈，再SP偏移 |
| 空栈 | 先压栈，再SP偏移 | SP先偏移，再出栈 |

栈的分类总结：

栈的分类就是 "增栈与满栈" 和 "满栈与空栈" 这两者的结合：空增EA、空减ED、满增FA、满减FD

其中：E代表empty、F代表full、A代表ascendant、D代表descendant。ARM中常用FD的栈。

栈的类型与压栈出栈(STM、LDM)指令的关系如下：

|----------|-----------|-----------|
| 栈的分类 | 压栈 | 出栈 |
| 空增EA | STMIA | LDMDB |
| 空减ED | STMDA | LDMIB |
| 满增FA | STMIB | LDMDA |
| 满减FD | STMDB | LDMIA |

栈的类型与专门后缀的压栈出栈(STM、LDM)指令的关系如下：

|----------|-----------|-----------|
| 栈的分类 | 压栈 | 出栈 |
| 空增EA | STMEA | LDMEA |
| 空减ED | STMED | LDMED |
| 满增FA | STMFA | LDMFA |
| 满减FD | STMFD | LDMFD |

注意：这些EA、ED、FA、FD并不是新的指令，编译器会把他们编译为相应的指令。如：STMFD最终编译成汇编依旧是STMDB

栈的应用

1、叶子函数调用过程

什么是叶子函数：

叶子函数就是只有一层的函数，即：main中调用了fun函数，fun函数中没有调用其他的函数。

实现功能：

使用汇编实现函数调用，main中计算1+2并调用fun，fun中计算20-10。要求只能使用R1、R2、R3这三个寄存器。

设计思路：

初始化栈指针SP
入栈当前寄存器中的数据，即：压栈保护现场
进行函数相关的操作
出栈数据到寄存器中，即：出栈恢复现场
移动PC到断点下一条指令位置

代码实现：

复制代码

.text 
.global _start
_start:

MOV SP,#0x40000020 	   @初始化栈指针sp

MAIN:
	MOV R1,#1
	MOV R2,#2
	BL FUN
	ADD R3,R1,R2
	B STOP
	
FUN:
	STMFD SP!,{R1,R2}  @入栈保护现场
	MOV R1,#10
	MOV R2,#20
	SUB R3,R2,R1
	LDMFD SP!,{R1,R2}  @出栈恢复现场
	MOV PC,LR          @PC指向断点下一个指令位置

STOP:
	B STOP

.end

2、非叶子函数调用过程

什么是非叶子函数：

非叶子函数就是有多层的函数，即：main中调用了fun函数，fun函数中还调用其他的函数。

实现功能：

使用汇编实现函数调用，main中计算1+2并调用fun，fun中计算20-10并调用fun2，fun2中计算300-200。要求只能使用R1、R2、R3这三个寄存器。

设计思路：

初始化栈指针SP
入栈当前寄存器和LR中的数据，即：压栈保护现场
进行函数相关的操作
出栈数据到寄存器中，即：出栈恢复现场
移动PC到断点下一条指令位置

代码实现：

复制代码

.text 
.global _start
_start:

MOV SP,#0x40000020 	      @初始化栈指针sp

MAIN:
	MOV R1,#1
	MOV R2,#2
	BL FUN
	ADD R3,R1,R2
	B STOP
	
FUN:
	STMFD SP!,{R1,R2,LR}  @入栈保护现场，注意这里入栈了LR
	MOV R1,#10
	MOV R2,#20
	BL FUN2
	SUB R3,R2,R1
	LDMFD SP!,{R1,R2,LR}  @出栈恢复现场
	MOV PC,LR             @PC指向断点下一个指令位置

FUN2:
	STMFD SP!,{R1,R2,LR}  @入栈保护现场，注意这里入栈了LR
	MOV R1,#200
	MOV R2,#300
	SUB R3,R2,R1
	LDMFD SP!,{R1,R2,LR}  @出栈恢复现场
	MOV PC,LR             @PC指向断点下一个指令位置

STOP:
	B STOP

.end

3、局部变量是随机值的原因

出栈发生了什么：

以"叶子函数调用过程"中的代码为例，当程序走到STOP后，栈中的数据已经出栈，但是栈中保存的数据并未被清除。即：出栈只是SP去移动，而不是顺带着把栈中的数据清零。

局部变量是随机值的原因：

当另一个函数被调用，局部变量被申请时，局部变量的地址会从栈指针位置去申请，这里就是申请0x000000001C这个空间，所以在不初始化的情况下，该局部变量的值就是2，是上一个函数入栈的数据，因此是一个随机值。