ARM的栈与栈指令

ssdgh · 发表于 2021-9-29 13:42

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一、定义：栈(Stack)是限定仅在一端进行插入或删除操作的线性表。
因此，对栈来说，可以进行插入或删除操作的一端端称为栈顶(top)，相应地，另一端称为栈底(bottom)。不含元素的空表称为空栈。由于堆栈只允许在一端进行操作，因而按照后进先出（LIFO-Last In First Out）的原理运作。从栈顶的定义来看，栈顶的位置是可变的。空栈时，栈顶和栈底重合；满栈时，栈顶离栈底最远。ARM为堆栈提供了硬件支持，它使用一个专门的寄存器（堆栈指针）指向堆栈的栈顶。而且7种模式都有各自独立的堆栈指针，也就是有各自独立的堆栈空间。
二、如何描述一个栈
准确描述一个栈的特点需要两个参数
栈地址的增长方向：ARM将向高地址增长（也叫做向上增长）的栈称为递增栈（ascendant Stack），将向低地址增长（也叫做向下增长）的栈称为递减栈（descendantStack）
栈指针的指向位置：ARM将栈指针指向栈顶元素位置的栈称为满栈（Full Stack），讲栈指针指向即将入栈的元素位置的栈称为空栈（Empty Stack）
根据栈地址增长方向雨栈指针指向位置的不同，自然可以将栈分为四类：

下图描述了四种不同类型的栈，其中虚线部分表示即将入栈的元素。

三、栈指令
栈的操作指令无非两种：入栈和出栈，由于ARM描述了四种不同类型的栈，因此对应的栈指令一共有8条。

STM：（STore Multiple data）表示存储数据，即入栈。
LDM：（LoaD Multiple data）表示加载数据，即出栈。
一般情况下，可以将栈操作指令分解为两步微指令：数据存取和栈指针移动。这两步操作的先后顺序和栈指针的移动方式由栈的类型决定。

ARM中存在一组缓冲区操作指令和栈指令是一一对应的，他们完成相同的功能。这些指令含义的区别来源于对存取操作的缓冲区指针地址增长方向，以及存取操作和缓冲区指针移动的先后顺序决定的。这个和前面描述的栈类型的分类原则十分相似。

四、实例
虽然ARM的栈类型和相关的操作指令比较繁琐，但是实际上最常用的还是和x86指令集相同的栈类型：栈向低地址方向增长，且栈指针指向栈顶元素的位置，即ARM的FD栈。因此最常见的ARM栈指令操作是STMFD和LDMFD。
例如入栈指令：
STMFD SP,{R0-R3}
实际的微指令操作为：
[SP-4]  <=  R3
[SP-8]  <=  R2
[SP-12] <=  R1
[SP-16] <=  R0
在ARM的指令系统中，递减栈入栈操作的参数入栈顺序是从右到左依次入栈，而参数的出栈顺序则是从左到右的逆操作。对于递增栈，相应的操作则全部取反。
例如出栈指令：
LDMFD SP,{R4-R7}
实际的微指令操作为：
[SP] =>  R4
[SP+4]  =>  R5
[SP+8]  =>  R6
[SP+12] =>  R7
上述的入栈和出栈指令其实仅仅对栈做了存取操作，并未真正改变SP指针的值。正常情况下，我们希望对栈操作后能自动修改栈指针SP的值，使用如下指令可以达到该目的。
STMFD SP!,{R0-R3}
对应的微指令操作为：
[SP-4]  <=  R3
[SP-8]  <=  R2
[SP-12] <=  R1
[SP-16] <=  R0
SP    ＝  SP - 16
同样的：
LDMFD SP!,{R4-R7}
对应的微指令操作为：
[SP] =>  R4
[SP+4]  =>  R5
[SP+8]  =>  R6
[SP+12] =>  R7
SP    ＝  SP + 16

nuiga · 发表于 2021-9-29 14:09

在ARM的指令系统中，递减栈入栈操作的参数入栈顺序是从右到左依次入栈，而参数的出栈顺序则是从左到右的逆操作

faker12 · 发表于 2021-9-29 16:08

一般情况下，可以将栈操作指令分解为两步微指令：数据存取和栈指针移动

nuiga · 发表于 2021-9-29 16:22

ARM描述了四种不同类型的栈，因此对应的栈指令一共有8条

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