uboot代碼中有這么一句話“#define DECLARE_GLOBAL_DATA_PTR register volatile gd_t *gd asm ("r8")”，困擾了山人多時(shí)。經(jīng)過(guò)多番求索，才得知原來(lái)是定義了一個(gè)全局的寄存器變量gd_t（r8是它的專(zhuān)用寄存器）。

詳細(xì)解釋一下，register意思是定義的變量保存在寄存器中，volatile代表禁止編譯器優(yōu)化，后邊的asm ("r8")說(shuō)的是使用的寄存器是r8。

一、何謂寄存器變量

百度百科

在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)需要到內(nèi)存中相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中調(diào)用，如果一個(gè)變量在程序中頻繁使用，例如循環(huán)變量，那么，系統(tǒng)就必須多次訪問(wèn)內(nèi)存中的該單元，影響程序的執(zhí)行效率。因此，CC++語(yǔ)言還定義了一種變量，不是保存在內(nèi)存上，而是直接存儲(chǔ)在CPU中的寄存器中，這種變量稱(chēng)為寄存器變量。

山人認(rèn)為寄存器變量的優(yōu)勢(shì)的確是提高了變量的訪問(wèn)速度，也犧牲了寶貴的寄存器資源。在學(xué)譚浩強(qiáng)的C語(yǔ)言時(shí)，書(shū)中有關(guān)寄存器變量的介紹。

二、APCS 簡(jiǎn)介

本文講的是寄存器變量的事，看似與APCS無(wú)關(guān)。但是，實(shí)質(zhì)上APCS涉及了寄存器是怎樣被使用的，也就關(guān)寄存器變量的事了。所以，還是需要先介紹APCS。以下文字摘錄于“arm指令集”。

APCS，ARM 過(guò)程調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)(ARM Procedure Call Standard)，提供了緊湊的編寫(xiě)例程的一種機(jī)制，定義的例程可以與其他例程交織在一起。最顯著的一點(diǎn)是對(duì)這些例程來(lái)自哪里沒(méi)有明確的限制。它們可以編譯自 C、 Pascal、也可以是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成的。

APCS 定義了:

對(duì)寄存器使用的限制。
使用棧的慣例。
在函數(shù)調(diào)用之間傳遞/返回參數(shù)。
可以被‘回溯’的基于棧的結(jié)構(gòu)的格式，用來(lái)提供從失敗點(diǎn)到程序入口的函數(shù)(和給予的參數(shù))的列表。

APCS 不一個(gè)單一的給定標(biāo)準(zhǔn)，而是一系列類(lèi)似但在特定條件下有所區(qū)別的標(biāo)準(zhǔn)。例如，APCS-R (用于 RISC OS)規(guī)定在函數(shù)進(jìn)入時(shí)設(shè)置的標(biāo)志必須在函數(shù)退出時(shí)復(fù)位。在 32 位標(biāo)準(zhǔn)下，并不是總能知道進(jìn)入標(biāo)志的(沒(méi)有 USR_CPSR)，所以你不需要恢復(fù)它們。如你所預(yù)料的那樣，在不同版本間沒(méi)有相容性。希望恢復(fù)標(biāo)志的代碼在它們未被恢復(fù)的時(shí)候可能會(huì)表現(xiàn)失常...

如果你開(kāi)發(fā)一個(gè)基于 ARM 的系統(tǒng)，不要求你去實(shí)現(xiàn) APCS。但建議你實(shí)現(xiàn)它，因?yàn)樗浑y實(shí)現(xiàn)，且可以使你獲得各種利益。但是，如果要寫(xiě)用來(lái)與編譯后的 C 連接的匯編代碼，則必須使用 APCS。編譯器期望特定的條件，在你的加入(add-in)代碼中必須得到滿足。一個(gè)好例子是 APCS 定義 a1 到 a4 可以被破壞，而 v1 到 v6 必須被保護(hù)。現(xiàn)在我確信你正在撓頭并自言自語(yǔ)“a 是什么? v 是什么?”。所以首先介紹 APCS-R 寄存器定義...

ARM寄存器

寄存器名字

Reg#	APCS	意義
R0	a1	工作寄存器
R1	a2	··
R2	a3	··
R3	a4	··
R4	v1	必須保護(hù)
R5	v2	··
R6	v3	··
R7	v4	··
R8	v5	··
R9	v6	··
R10	sl	棧限制
R11	fp	幀指針
R12	ip
R13	sp	棧指針
R14	lr	連接寄存器
R15	pc	程序計(jì)數(shù)器

筆者實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)反匯編查看C語(yǔ)言的代碼，可以知道r0-r3用作形參傳遞參數(shù)，倘若形參超過(guò)4個(gè)，則需要用堆棧來(lái)傳遞其余的參數(shù)。r0-r3在函數(shù)中間是作為中間變量的，在退出函數(shù)之后，其值也不用特別處理（試想形參也沒(méi)有返回值，而中間變量是暫存數(shù)據(jù)，也不需要先保存再?gòu)棾觯Ｓ纱耍陆Y(jié)論r0-r3是可以被破壞的。

r4-r14更像是全局變量，因?yàn)榧僭O(shè)在函數(shù)中因?yàn)橹虚g變量不夠用而使用了r4-r12中的一個(gè)或者某幾個(gè)，再進(jìn)入函數(shù)時(shí)將用到的寄存器保存，出去的時(shí)候再?gòu)棾觯詒4-r12在經(jīng)過(guò)函數(shù)之后是保持不變的。

三、如何在程序中實(shí)現(xiàn)定義寄存器變量

以實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明定義寄存器變量的方法

head.s

1 .text
2 .global _start
3 _start:                                         
4             ldr     sp, =4096 
5             bl      init
6             bl      main               
7 halt_loop:
8             b       halt_loop

init.c

1 register volatile int* gd_t asm("r8");  
2 void init()
3 {
4     gd_t    = (int *)0;
5 }

main.c

1 register volatile int* gd_t asm ("r8");
2 
3 int main(void)
4 {
5     gd_t = (int* )1;
6     while(1);
7     return 0;
8 }

Makefile

objs := head.o init.o main.o

test.bin : $(objs)
    arm-linux-ld -Ttext 0x0    -o test_elf $^
    arm-linux-objcopy -O binary -S test_elf $@
    arm-linux-objdump -D -m arm  test_elf > test.dis

%.o:%.c
    arm-linux-gcc -Wall -c -O2 -o $@ $<

%.o:%.S
    arm-linux-gcc -Wall -c -O2 -o $@ $<

clean:
    rm -f  test.dis test.bin test_elf *.o

查看反匯編內(nèi)容

test.dis

 1 test_elf:     file format elf32-littlearm
 2 
 3 Disassembly of section .text:
 4 
 5 00000000 <_start>:
 6    0:    e3a0da01     mov    sp, #4096    ; 0x1000
 7    4:    eb000001     bl    10 <init>
 8    8:    eb000002     bl    18 <main>
 9 
10 0000000c <halt_loop>:
11    c:    eafffffe     b    c <halt_loop>
12 
13 00000010 <init>:
14   10:    e3a09000     mov    r8, #0    ; 0x0
15   14:    e1a0f00e     mov    pc, lr
16 
17 00000018 <main>:
18   18:    e3a08001     mov    r8, #1    ; 0x1
19   1c:    eafffffe     b    1c <main+0x4>
20 Disassembly of section .comment:
21 
22 00000000 <.comment>:
23    0:    43434700     cmpmi    r3, #0    ; 0x0
24    4:    4728203a     undefined
25    8:    2029554e     eorcs    r5, r9, lr, asr #10
26    c:    2e342e33     mrccs    14, 1, r2, cr4, cr3, {1}
27   10:    47000035     smladxmi    r0, r5, r0, r0
28   14:    203a4343     eorcss    r4, sl, r3, asr #6
29   18:    554e4728     strplb    r4, [lr, #-1832]
30   1c:    2e332029     cdpcs    0, 3, cr2, cr3, cr9, {1}
31   20:    00352e34     eoreqs    r2, r5, r4, lsr lr

寄存器全局變量與普通的全局變量使用區(qū)別

普通的全局變量使用是在一個(gè)文件中定義全局變量，然后通過(guò)“extern”將其作用域擴(kuò)展到其他的文件；寄存器的全局變量是每一個(gè)使用這個(gè)全局變量的文件都要對(duì)這個(gè)全局變量定義。

為什么有這樣的區(qū)別呢

普通全局變量在一個(gè)文件被定義后，就會(huì)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)段（data或者bss）開(kāi)辟一個(gè)空間，這個(gè)空間編譯器會(huì)給它命一個(gè)名字。例如“int a=10;”就會(huì)在data段開(kāi)辟一個(gè)4字節(jié)的空間，并且編譯器給這個(gè)空間命名為a。其它文件也需要調(diào)用這個(gè)全局變量時(shí)，是對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行聲明，例如“extern int a;”。在連接程序階段，連接器會(huì)把所有使用a變量的代碼都定位在之前定義時(shí)在data段開(kāi)辟命名為a的空間。

寄存器全局變量，它的存儲(chǔ)空間已經(jīng)確定。當(dāng)對(duì)寄存器全局變量的定義進(jìn)行編譯處理時(shí)，不會(huì)試圖從data或者bss開(kāi)辟空間，而是直接使用寄存器（例如實(shí)驗(yàn)程序中，直接使用r8來(lái)處理gd_t）。因?yàn)椴淮嬖诰幾g器產(chǎn)生連接時(shí)所需要有關(guān)全局變量的標(biāo)號(hào)（編譯器不會(huì)產(chǎn)生gd_t的標(biāo)號(hào)），所以實(shí)際上也不存在“哪一個(gè)文件是定義，哪一個(gè)文件是聲明的問(wèn)題了”。

當(dāng)init.c文件使用了寄存器全局變量gd_t，它在編譯時(shí)被r8替換。當(dāng)main.c也使用了gd_t，它也被r8替換。實(shí)際上，在連接過(guò)程中已經(jīng)沒(méi)有處理gd_t的任務(wù)。這與普通全局變量的編譯、連接是有本質(zhì)的區(qū)別。

為了體現(xiàn)這種巨大差異，再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)修改init.c的內(nèi)容，其他保持不變。

init.c

1 register volatile int* gd_t asm("r9");  
2 void init()
3 {
4     gd_t    = (int *)0;
5 }

對(duì)應(yīng)的反匯編代碼

test.dis

 1 test_elf:     file format elf32-littlearm
 2 
 3 Disassembly of section .text:
 4 
 5 00000000 <_start>:
 6    0:    e3a0da01     mov    sp, #4096    ; 0x1000
 7    4:    eb000001     bl    10 <init>
 8    8:    eb000002     bl    18 <main>
 9 
10 0000000c <halt_loop>:
11    c:    eafffffe     b    c <halt_loop>
12 
13 00000010 <init>:
14   10:    e3a09000     mov    r9, #0    ; 0x0
15   14:    e1a0f00e     mov    pc, lr
16 
17 00000018 <main>:
18   18:    e3a08001     mov    r8, #1    ; 0x1
19   1c:    eafffffe     b    1c <main+0x4>
20 Disassembly of section .comment:
21 
22 00000000 <.comment>:
23    0:    43434700     cmpmi    r3, #0    ; 0x0
24    4:    4728203a     undefined
25    8:    2029554e     eorcs    r5, r9, lr, asr #10
26    c:    2e342e33     mrccs    14, 1, r2, cr4, cr3, {1}
27   10:    47000035     smladxmi    r0, r5, r0, r0
28   14:    203a4343     eorcss    r4, sl, r3, asr #6
29   18:    554e4728     strplb    r4, [lr, #-1832]
30   1c:    2e332029     cdpcs    0, 3, cr2, cr3, cr9, {1}
31   20:    00352e34     eoreqs    r2, r5, r4, lsr lr

可以看到編譯能夠正常通過(guò)，也就是說(shuō)gd_t在不同的文件中可以使用不同的寄存器，因?yàn)樵谶B接過(guò)程中沒(méi)有g(shù)d_t處理的任務(wù)（它們都被寄存器所代替）。

四、使用全局寄存器變量需要注意的地方

1、每一個(gè)使用這個(gè)全局變量的文件都要對(duì)這個(gè)全局變量定義，而且要一樣

倘若像修改后的代碼一樣，同一個(gè)全局變量gd_t卻在不同的文件中使用了不同的寄存器，結(jié)果不能實(shí)現(xiàn)全局變量的效果。

2、確保匯編程序中沒(méi)有隨意修改所使用寄存器的值

寄存器全局變量有可能會(huì)在匯編程序中被破壞，可能因?yàn)榧拇嫫鞑粔蛴没蛘咧袛喾?wù)。要做的任務(wù)就是，使用前對(duì)其保存和退出使用后對(duì)其恢復(fù)。

3、不能使用r0-r3作為寄存器全局變量

因?yàn)樗鼈冏駨腁PCS規(guī)則，會(huì)被經(jīng)常破壞，不能當(dāng)做寄存器全局變量來(lái)用。而r4-r12的特性適合全局變量來(lái)使用。

后記

本文為筆者實(shí)驗(yàn)以及查找資料所得結(jié)論，可能有謬誤，望讀者發(fā)現(xiàn)指正。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的arm-linux-gcc编译器定义寄存器变量的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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