ARM函数调用总结

ARM架构寄存器介绍

ARM架构下处理器有7种工作模式：

1. USR模式：正常用户模式，在USR模式下进程正常执行

2. FIQ模式（Fast Interrupt Request）：处理快速中断模式，用于高速数据传送或者通道处理。

3. IRQ模式（(Interrupt Request）：用于处理普通中断。

4. SVC模式（Supervisor）：操作系统的保护模式，用于处理软件中断。

5. ABT中止模式（Abort mode）：处理存储器故障模式、实现虚拟存储器和存储器保护两种功能。

6. UND 未定义（Undefined）：处理未定义的指令陷阱，并且支持硬件协处理器的软件仿真。

7. SYS 系统模式（System）：操作系统模式，用于运行特权操作系统任务。

　　在这7种模式中，除开USR用户模式之外的其余6种模式都被称为特权模式。在特权模式下的程序能够访问全部的系统资源，也能够随意地完成处理器模式的切换。而除开系统模式外的五种特权模式又称为异常模式。大多数的用户程序运行在用户模式下。如果需要切换处理器模式的时候，程序会抛出异常处理，模式的切换便会在异常处理中完成。

在ARM架构中一共有 37 个寄存器（包含了31个通用寄存器和6个状态寄存器）：

1. 31个通用寄存器包括：

R0-R15, R13_svc, R14_svc, R13_abt, R14_abt, R13_und, R14_und, R13_irq, R14_irq, R8_fiq-R14_fiq

2. 6个状态寄存器包括：

CPSR, SPSR_svc, SPSR-abt, SPSR_und, SPSR_irq, SPSR_fiq

这里主要对通用寄存器做介绍：

1. 不分组寄存器R0～R7

在所有模式下，未分组寄存器都代表着一个物理寄存器，不分组寄存器没有被操作系统用作特定用途。

2. 分组寄存器R8～R12

当前所访问的寄存器与现在处理器运行的模式有关。当处于fiq快速中断模式的时候，访问的寄存器是R8_fiq～R12_fiq；而在除开fiq模式以外模式时，访问的寄存器是R8～R12。

其中R11又被称为FP寄存器，即frame pointer栈帧指针寄存器。

R12是内部调用暂时寄存器 ip。它在过程链接胶合代码中用于此角色。在过程调用之间，可以将它用于任何用途。被调用函数在返回之前不必恢复 R12。

3. R13、R14：

R13，R4寄存器分别对应着6个不同的物理寄存器

用户模式与系统模式共用同一种寄存器外，其余5个物理寄存器对应其余5种运行模式。为方便区分采用对应模式的记号来区分不同的物理寄存器：R13_，R14_ R13_usr、R13_fiq、R13_irq、R13_svc、R13_abt、R13_und，R14_usr、R14_fiq、R14_irq、R14_svc、R14_abt、R14_und。

R13/sp：R13在ARM指令集中通常用作堆栈指针。

R14/lr：R14被称为子程序连接寄存器或者连接寄存器LR。在执行BL子程序调用指令的时候，可以从R14中得到R15（程序计数器PC）的备份。在其他情况下，R14可以当作普通的通用寄存器。

在7种模式下，LR都能够用于保存子程序的返回地址。当采用BL或BLX指令调用子程序时，处理器会把PC的当前值复制到R14中；然后在执行完子程序后，再将R14的值返回到PC中，处理器通过这种方法完成子程序的调用返回。

4. 程序计数器—R15/PC

R15时程序计数器(PC)所对应的物理寄存器，因为ARM体系结构采用多级流水线技术， R15会指向当前指令后两条指令的地址,即PC读取值为当前指令的地址再加8个字节。PC寄存器中目前所保存的值即为下一条执行的指令。

ARM架构函数调用过程介绍

 简单程序分析，当参数小于4个时： 

/*test1.c*/
#include <stdio.h>

int foo1(int m,int n,int p)
{
        int x = m + n + p;
        return x;
}
 
int main(int argc,char** argv)
{
        int x,y,z,result;
        x=11;
        y=22;
        z=33;
        result = foo1(x,y,z);
        printf("result=%d
",result);
        return 0;
}

在main函数中定义了x，y，z，result，四个局部变量，然后调用了foo1（）函数做进一步加法，并且返回最后得到的值。程序用arm-linux-gcc静态编译后得到可以在arm开发板上可执行程序test1，利用arm-linux-objdump对逆向后可以得到我们需要的可执行程序汇编代码：

//省略不相关代码
0000826c <foo1>:
    826c:    e52db004     push    {fp}        ; (str fp, [sp, #-4]!)
    8270:    e28db000     add    fp, sp, #0
    8274:    e24dd01c     sub    sp, sp, #28
    8278:    e50b0010     str    r0, [fp, #-16]
    827c:    e50b1014     str    r1, [fp, #-20]
    8280:    e50b2018     str    r2, [fp, #-24]
    8284:    e51b2010     ldr    r2, [fp, #-16]
    8288:    e51b3014     ldr    r3, [fp, #-20]
    828c:    e0822003     add    r2, r2, r3
    8290:    e51b3018     ldr    r3, [fp, #-24]
    8294:    e0823003     add    r3, r2, r3
    8298:    e50b3008     str    r3, [fp, #-8]
    829c:    e51b3008     ldr    r3, [fp, #-8]
    82a0:    e1a00003     mov    r0, r3
    82a4:    e28bd000     add    sp, fp, #0
    82a8:    e8bd0800     pop    {fp}
    82ac:    e12fff1e     bx    lr

000082b0 <main>:
    82b0:    e92d4800     push    {fp, lr}
    82b4:    e28db004     add    fp, sp, #4
    82b8:    e24dd010     sub    sp, sp, #16
    82bc:    e3a0300b     mov    r3, #11
    82c0:    e50b3014     str    r3, [fp, #-20]
    82c4:    e3a03016     mov    r3, #22
    82c8:    e50b3010     str    r3, [fp, #-16]
    82cc:    e3a03021     mov    r3, #33    ; 0x21
    82d0:    e50b300c     str    r3, [fp, #-12]
    82d4:    e51b0014     ldr    r0, [fp, #-20]
    82d8:    e51b1010     ldr    r1, [fp, #-16]
    82dc:    e51b200c     ldr    r2, [fp, #-12]
    82e0:    ebffffe1     bl    826c <foo1>
    82e4:    e1a03000     mov    r3, r0
    82e8:    e50b3008     str    r3, [fp, #-8]
    82ec:    e59f301c     ldr    r3, [pc, #28]    ; 8310 <main+0x60>
    82f0:    e1a00003     mov    r0, r3
    82f4:    e51b1008     ldr    r1, [fp, #-8]
    82f8:    eb000347     bl    901c <_IO_printf>
    82fc:    e59f0010     ldr    r0, [pc, #16]    ; 8314 <main+0x64>
    8300:    eb000354     bl    9058 <_IO_puts>
    8304:    e24bd004     sub    sp, fp, #4
    8308:    e8bd4800     pop    {fp, lr}
    830c:    e12fff1e     bx    lr
    8310:    00063214     andeq    r3, r6, r4, lsl r2
    8314:    00063220     andeq    r3, r6, r0, lsr #4
//省略不相关代码

将程序test1拷贝到arm开发板中，利用gdbserver开始调试。

 在main函数开始执行前，在栈空间中就有其他数据了，在此时test1的栈空间布局大致如下图所示：

 完成foo1函数栈底和栈顶的确定后，程序继续完成参数传递的过程。此时r0，r1，r2寄存器中分别保存着11，22，33，test1程序会将三个参数通过寄存器压入foo1函数的栈空间中：

Str r0, [r11, #-16]

Str r1, [r11, #-20]

Str r2, [r11, #-16]

 Foo1函数栈空间也因此改变：

 完成参数传递后，程序将会开始执行int x=m + n + p；而整个加法过程都是借助寄存器中完成的，然后程序期望将得到的值返回到main函数中，因此需要将结果放入到r0寄存器中，在此过程中，栈并没有发生变化。

ldr r3, [r11, #-8]
mov r0， r3

　接下来程序将会执行返回到main函数的过程，sp指针返回到栈底地址后，然后执行指令ldmfd sp!,{r11}（以sp存放的数据作为地址，将地址中的数据加载进r11中，然后sp+4,）sp指针已经返回到了main函数的栈顶，fp指向了main函数的main函数的栈底。此时lr寄存器的值为0x82e4，

 在执行bx lr指令后，返回到main函数中，pc（下一条指令）为0x82e4

当参数大于4的时候：

/*test2.c*/
#include <stdio.h>  

int foo1(int m,int n, int p,int q,int i,int j)
{
    int x=m + n + p + q + i + j;
    return x;
}
void main()  
{   int x,y,z,a,b,c,result;
    x=11;
    y=22;
    z=33;
    a=44;
    b=55;
    c=66;
    result = foo1(x,y,z,a,b,c);
    printf("result=%d
",result);
    printf("hello world
");  
}

用与test1相同的方法可以得到test2和其汇编代码：

//省略不相关代码
0000826c <foo1>:
    826c: e52db004  push {fp}  ; (str fp, [sp, #-4]!)
    8270: e28db000  add fp, sp, #0
    8274: e24dd01c  sub sp, sp, #28
    8278: e50b0010  str r0, [fp, #-16]
    827c: e50b1014  str r1, [fp, #-20]
    8280: e50b2018  str r2, [fp, #-24]
    8284: e50b301c  str r3, [fp, #-28]
    8288: e51b2010  ldr r2, [fp, #-16]
    828c: e51b3014  ldr r3, [fp, #-20]
    8290: e0822003  add r2, r2, r3
    8294: e51b3018  ldr r3, [fp, #-24]
    8298: e0822003  add r2, r2, r3
    829c: e51b301c  ldr r3, [fp, #-28]
    82a0: e0822003  add r2, r2, r3
    82a4: e59b3004  ldr r3, [fp, #4]
    82a8: e0822003  add r2, r2, r3
    82ac: e59b3008  ldr r3, [fp, #8]
    82b0: e0823003  add r3, r2, r3
    82b4: e50b3008  str r3, [fp, #-8]
    82b8: e51b3008  ldr r3, [fp, #-8]
    82bc: e1a00003  mov r0, r3
    82c0: e28bd000  add sp, fp, #0
    82c4: e8bd0800  pop {fp}
    82c8: e12fff1e  bx lr

000082cc <main>:
    82cc: e92d4800  push {fp, lr}
    82d0: e28db004  add fp, sp, #4
    82d4: e24dd028  sub sp, sp, #40 ; 0x28
    82d8: e3a0300b  mov r3, #11
    82dc: e50b3020  str r3, [fp, #-32]
    82e0: e3a03016  mov r3, #22
    82e4: e50b301c  str r3, [fp, #-28]
    82e8: e3a03021  mov r3, #33 ; 0x21
    82ec: e50b3018  str r3, [fp, #-24]
    82f0: e3a0302c  mov r3, #44 ; 0x2c
    82f4: e50b3014  str r3, [fp, #-20]
    82f8: e3a03037  mov r3, #55 ; 0x37
    82fc: e50b3010  str r3, [fp, #-16]
    8300: e3a03042  mov r3, #66 ; 0x42
    8304: e50b300c  str r3, [fp, #-12]
    8308: e51b3010  ldr r3, [fp, #-16]
    830c: e58d3000  str r3, [sp]
    8310: e51b300c  ldr r3, [fp, #-12]
    8314: e58d3004  str r3, [sp, #4]
    8318: e51b0020  ldr r0, [fp, #-32]
    831c: e51b101c  ldr r1, [fp, #-28]
    8320: e51b2018  ldr r2, [fp, #-24]
    8324: e51b3014  ldr r3, [fp, #-20]
    8328: ebffffcf  bl 826c <foo1>
    832c: e1a03000  mov r3, r0
    8330: e50b3008  str r3, [fp, #-8]
    8334: e59f301c  ldr r3, [pc, #28] ; 8358 <main+0x8c>
    8338: e1a00003  mov r0, r3
    833c: e51b1008  ldr r1, [fp, #-8]
8340: eb000349  bl 906c <_
//省略不相关代码

由于在test2中将会继续执行result = foo1(x,y,z,a,b,c);因此需要将参数传递到foo1函数中，但是由于参数大于4个参数，r0-r3寄存器不能将其全部传递，因此后两个参数通过栈来完成参数传递的目的，前四个参数依然通过r0-r3的4个寄存器来传递。

 而寄存器r0=11，r1=22，r2=33，r3=44

foo1函数栈空间的开辟，将r0-r3寄存器中存储的数据拷贝到栈中

 

栈布局变化为

 

前四个参数都从栈上拷贝到寄存器中并且完成了加法，得到结果r2=110（11+22+33+44） 

 

在加法过程中我们可以发现55与66并没有保存在foo1的栈空间中，而是在栈顶fp的上方，因此需要将位于栈顶上方的值（也就是位于main函数栈底的值）拷贝进入寄存器再进行操作。

ldr r3, [fp, #4]
dd r2, r2, r3
ldr r3, [fp, #8]
add r3, r2, r3

 终于得到了最后的结果r3=231（110+55+66），由于后续操作与test1类似，就不再赘述了。

Arm架构函数调用总结

 

1.在开始函数调用时，将新函数所需要的参数赋值分别给从r0开始到r3为止的寄存器，若大于4个参数时，将其余的参数压入栈中。

2.然后调用bl指令将pc寄存器中的地址赋值给lr寄存器作为子函数的返回地址，并且将子函数的地址拷贝到pc中，由此离开原函数进入到子函数中。

3.将r11（原函数的栈底地址）压入栈中，作为子函数的栈底fp，并把此时栈底地址放入r11中，sp移动预留局部变量存储空间，确定了子函数的栈底和栈顶地址。

4.将r0到r3寄存器存储的值复制到子函数的栈中，然后开始进一步操作

5.     在完成子函数目的后，将需要返回的值放入r0寄存器，利用ldmfd指令出栈，然后利用bx lr返回原函数中，完成整个函数调用过程。