加载中…PowerPC构架应用程序二进制接口（ABI）及堆栈帧详解
(2012-03-22 20:59:14)
标签：
abieabi堆栈帧stack-frame |
分类： PowerPC平台 |
第一部分 概述
应用程序二进制接口（ABI-Application Binary Interface）定义了一组在PowerPC系统软件上编译应用程序所需要遵循的一套规则。主要包括基本数据类型，通用寄存器的使用，参数的传递规则，以及堆栈的使用等等。ABI简单明了，但是比较难以理解的是堆栈帧的使用和维护。本文重点介绍PowerPC平台上堆栈帧的使用和维护，关于ABI其它方面的内容简单的介绍一下，O(∩_∩)O~
第二部分 详细内容
2.1 PowerPC构架使用的基本数据类型
PowerPC构架定义的基本数据类型的格式和标准C相同，具体格式如下：
http://s15/middle/70dd1691g792ed9f302ee&690
2.2 PowerPC构架寄存器的使用规则
PowerPC的ABI规定的寄存器的使用规则如下：
GPR0：属于易失性寄存器，ABI规定普通用户不能使用此寄存器。GCC编译器用此寄存器来保存LR寄存器，Linux-PowerPC用此寄存器来传递系统调用号码。
GPR1：属于专用寄存器，ABI规定用次寄存器来保存堆栈的栈顶指针。
备注：PowerPC构架没有独立的栈顶指针，这一点和X86体系结构是不同的。
GPR2：属于专用寄存器，ABI规定普通用户不使用才寄存器，Linux PowerPC用此寄存器来保存当前进程的进程描述符地址。
GPR3至GPR4：属于易失性寄存器，ABI使用这两个寄存器来保存函数的返回值，或者用来传递参数。
GPR5值GPR10：也属于易失性寄存器，加上GPR3和GPR4共8个寄存器用来传递函数的参数。当函数的参数超过八个时使用堆栈来传递。
GPR11至GPR12：属于易失性寄存器，ABI规定普通用户不使用该寄存器，Linux PowerPC有时用这两个寄存器来存放临时变量，但是GCC编译器没有使用这两个寄存器
GPR13：属于专用寄存器，ABI规定该寄存器sdata段的基地址指针。Linux PowerPC在系统初始化时使用该寄存器来存放临时变量。GCC有时会根据某些规则将一些常用的数据放入sdata或者sbss段中。应用程序对sdata或者sbss段数据的访问与对data和bss段数据的访问机制不同，访问sdata段的数据速度更快。
GPR14至GPR31：属于非易失性寄存器。ABI使用这些寄存器来存放一些临时变量，在应用程序中可以自由使用这些变量。
总结成一张表格如下所示：
http://s13/middle/70dd1691gbbd4940f744c&690
第二部分 栈帧的使用规则
PowerPC寄存器没有专用的Pop，Push指令来执行堆栈操作，所以PowerPC构架使用存储器访问指令stwu，lwzu来代替Push和Pop指令。PowerPC处理器使用GPR1来将这个堆栈段构成一个单向链表，这个单链表的每一个数据成员，我们称之为堆栈帧（Stack Frame），每一个函数负责维护自己的堆栈帧。
PowerPC体系结构中栈的增长方向是从高地址到低地址，堆的增长方式是从低地址到搞地址，当两者相遇时就会产生溢出。
堆栈帧的格式如下：
http://s10/middle/70dd1691g792edc1e59d9&690
备注：PowerPC构架规定栈帧的长度是8字节对齐的，栈帧的长度是8的倍数，如果不足8的整数倍，就如上图所示来补字节凑8的倍数。
解释：
函数参数域（Function Parameter Area）：这个区域的大小是可选的，即如果如果调用函数传递给被调用函数的参数少于六个时，用GPR4至GPR10这个六个寄存器就可以了，被调用函数的栈帧中就不需要这个区域；但如果传递的参数多于六个时就需要这个区域。
局部变量域（Local Variables Area）：通上所示，如果临时寄存器的数量不足以提供给被调用函数的临时变量使用时，就会使用这个域。
CR寄存器：即使修改了CR寄存器的某一个段CRx（x=0至7），都有保存这个CR寄存器的内容。
通用寄存器GPR：当需要保存GPR寄存器中的一个寄存器器GPRn时，就需要把从GPRn到GPR31的值都保存到堆栈帧中。
浮点寄存器FPR：使用规则共GPR寄存器。
下面我们通过几个例子来说明堆栈帧的建立和使用过程：
例子一：调用Funx()函数
FunX下中开始几行汇编会为自己建立堆栈帧：
FunX:
FunX的结尾几行，会移除面建立的堆栈帧，并使得SP（即GPR1）寄存器指向上一个栈帧的栈顶(即栈帧的最低地址处，也就是back chair)
代码如下：
lwz %r0,+92(%r1)
mtlr
%r0
lmw
%r28,+72(%r1)
addi
%r1,%r1,88
blr
例子二：
#include <stdio.h>
void fun()
{
}
int main()
{
}
建立堆栈帧和移除堆栈帧的汇编语言：
100004f4 <fun>:
100004f4:
100004f8:
100004fc:
10000500:
10000504:
10000508:
1000050c:
10000510 <main>:
10000510:
10000514:
10000518:
1000051c:
10000520:
10000524:
10000528:
1000052c:
10000530:
10000534:
10000538:
1000053c:
10000540:
10000544:
10000548:
分析如下图所示：
http://s10/middle/70dd1691g792ee66157d9&690
备注：
当前函数（比如上面的fun）所维护堆栈帧中的backchain存放的是调用它的函数（即main函数）堆栈帧的栈顶地址。
另外，很多C程序中进行的汇编语言函数调用比较简单，例如汇编函数的参数个数一般少于八个，使用临时的通用寄存器GPR14至GPR31就足够了。所以在这种情况下，我们只要保持堆栈中的LR和Back Chain就足够用的了。
但是正如例子二所示：虽然只需要8个字节来保存LR和和Back Chain就行了，但是GCC编译器在建立堆栈帧时还额外分配了8个字节，其中的4个字节来保存r31的值，另外4个字节的空间并没有使用起来。
备注：例子二中所描述的帧结构是PowerPC构架中最小帧结构，这种帧结构的大小为16字节。
参考资料：
Developing PowerPC Embedded Application Binary Interface (EABI) Compliant Programs
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