3、函数的本质 & 状态寄存器

2、函数调用栈的最后我们提到了<函数的参数和返回值>。我们讲到了:

  • ARM64中,函数的参数是存放在x0 ~ x7(w0 ~ w7)这8个寄存器里面的。如果超过8个参数,就会入栈。
  • 函数的返回值是放在x0寄存器里面的。
    这里我们来详细的探讨一下:
    i:函数的参数超过8个,就会入;那入的是哪个
    ii函数的返回值是放在x0寄存器里面;那如果返回值超过8个字节呢,此时返回值放在哪里呢?

  • i:函数的参数超过8个,就会入;那入的是哪个
    我们给函数设置9个返回值:


    0x102189e88 <+100>: mov x8, sp : 将sp的内容复制给x8。我们知道sp指向的是栈顶,则此代码执行完的结果就是x8寄存器里面,保存了[ViewController viewDidLoad]的栈顶地址。
    0x102189e8c <+104>: mov w10, #0x9 : 将常熟9存入w10寄存器。
    0x102189e90 <+108>: str w10, [x8] : 将w10存入栈。注意,此时x8指向的是栈顶位置,而且栈的写入是向高地址写入。所以此时w10里面的内存存入了[ViewController viewDidLoad]的函数调用栈,并且位置在栈顶。
    image.png

    我们再进入test函数看一下:

总结:函数的参数,超出8个的部分存放在栈里面。比如从A函数进入B函数,B函数拥有超过8个的参数,则超出的部分放入A的函数调用栈中。

  • ii函数的返回值是放在x0寄存器里面;那如果返回值超过8个字节呢,此时返回值放在哪里呢?
    我们来返回一个结构体,看一下返回的结构体存放在哪里:


    进入getStr函数内部:

总结:当函数的返回值大于8个字节,x0存不下的时候。返回值会保存在上层函数的栈空间中。比如从A函数进入B函数,B函数的返回值超过8个字节,则返回值放入A的函数调用栈中。


状态寄存器

  • CPU内部的寄存器中,有一种特殊的寄存器(对于不同的处理器,个数和结构都很可能不同)。这种寄存器在ARM中被称为状态寄存器,就是CPSR(current program status register)寄存器。
  • CPSR和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义。然而CPSR寄存器是按位起作用的;也就是说它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息

⚠️ 注:CPSR寄存器是32位的。

  • CPSR的低8位(包括IFTM[4:0])称为控制位,程序无法修改;除非CPU运行于特权模式下,程序才能修改控制位。
  • NZCV均为条件码标志位,它们的内容可以被算术或逻辑运算的结果所改变,并且可以决定某条指令是否被执行。意义重大⚠️ ⚠️ ⚠️

    CPSR寄存器

N(Negative)标志

  • CPSR的第31位是N,符号标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为负数。记录方式如下:
指令执行后的结果 N的值
负数 N = 1
非负数(注意:非负数,包括0) N = 0

⚠️ 注意:在ARM64的指令集中,有的指令的执行是影响状态寄存器的,比如add/sub/or等(执行的时候要加s,如adds)。他们大都是运算指令(进行逻辑或算术运算)。

  • 下面我们来验证一下(例子的执行结果c的值为-10,我们看一下N的值会不会变成1):

    WX20210325-140151.png

    通过上图,可以了解到,在执行相减指令之前,CPSR寄存器里面的值是0x60000000。下面我们通过计算器来看一下0x60000000对应的二进制数据,看一下此时第31位N是多少:

    可以看到,此时N的值是0
    我们再来看一下,指令了subs指令之后CPSR寄存器里面的值:

    执行完subs指令之后,结果为负数(-10),CPSR寄存器里面的值是0x80000000,此时N的值为1:

Z(Zero)标志

  • CPSR的第30位是Z,0标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为0。记录方式如下:
指令执行后的结果 Z的值 助记理解
结果为0 Z = 1 在计算机中1表示逻辑真,表示肯定;ZZero(0)的缩写;所以当结果为0的时候,Z = 1,表示结果是0
结果不为0 Z = 0 同上,Z = 0,表示结果不为0
  • 根据上面验证N的过程,我们也可以看到CPSR的第30位Z是由1变成0的。下面我们通过汇编来看一下CPSR的变化:

    执行adds之前:

    执行adds之后:

C(Carry)标志

  • CPSR的第29位是C,进位标志位。一般情况下进行无符号数的运算。
    i 加法运算:当运算结果产生了进位时(无符号数溢出)
运算方式 运算结果 C的值 运算结果 C的值
加法运算 结果产生了进位(无符号数溢出) C = 1 没有产生进位(无符号数没有溢出) C = 0
减法运算(包括CMP) 结果产生了借位(无符号数溢出) C = 0 没有产生进位(无符号数没有溢出) C = 1

对于位数为N的无符号数来说,其对应的二进制信息的最高位,即第N-1位,就是它的最高有效位,而假想存在第N位,就是相对于最高有效位的更高位。如下图所示:


image.png
  • 进位
    当两个数据相加的时候,有可能产生从最高有效位向更高位的进位。比如两个32位数据:0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa,将产生进位。由于这个进位值在32位中无法保存,我们就只是简单的说这个进位值丢失了。其实CPU在运算的时候,并不丢弃这个进位值,而是记录在一个特殊的寄存器的某一位上。ARM下就用C位来记录这个进位值。比如下面的指令:
mov w0,#0xaaaaaaaa;0xa 的二进制是 1010
adds w0,w0,w0; 执行后 相当于 1010 << 1 进位1(无符号溢出) 所以C标记 为 1
adds w0,w0,w0; 执行后 相当于 0101 << 1 进位0(无符号没溢出) 所以C标记 为 0
adds w0,w0,w0; 重复上面操作
adds w0,w0,w0
  • 借位
    当两个数据做减法的时候,有可能向更高位借位。比如两个32位数据:0x00000000 - 0x000000ff将产生借位,借位后,相当于计算0x100000000 - ox000000ff;得到0xffffff01这个值。由于借了一位,所以C位用来标记借位,C = 0。比如下面的指令:
mov w0,#0x0
subs w0,w0,#0xff ;
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff

V(Overflow)溢出标志

  • CPSR的第28位是V,溢出标志位。在进行有符号数运算的时候,如果超过了机器所能标识的范围,称为溢出。
计算 结果
正数 + 正数 结果为负数,溢出
负数 + 负数 结果为正数,溢出
正数 + 负数 不可能溢出

tips

  • 函数的局部变量
    函数的局部变量是保存在当前栈里面的。

⚠️ 注意:函数的局部变量是保存在栈里面的,所以当函数执行完毕,栈被销毁之后,函数的内的局部变量也会被销毁。所以外部函数无法访问函数内部的局部变量。

  • 现场保护
    栈里面对一些数据进行入栈保存,保护起来,防止在其他其它地方被修改。比如我们之前讲到的,lr(x30)寄存器,里面保存了函数回家的路,如果多层函数调用,则lr(x30)寄存器里面的饿值就会被修改,这个时候就要进行现场保护,将lr(x30)里面的值入栈,保护起来。

  • ldur
    我们之前讲了ldrldp指令。再来认识一个ldur指令。
    都是将数据从内存中读出来,存到寄存器中。

指令名 区别
ldr 用于正数(偏移值是正数)
ldp 操作两个寄存器
ldur 用于负数(偏移值是负数)
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