Harmonyos内核源码分析（寄存器）|ARM37寄存器一气呵成，不再神秘明确ARM系列寄存器是基于ARM720T.pdf文档的。阅读本文前，推荐阅读鸿蒙内核源码分析（总目录）arm系统系列。寄存器的本质。神秘莫测，如梦如雾多年。揭开本质后，发现寄存器是一个32位的存储空间，只是一个int变量，但它的厉害之处在于使用频率极高，让人不敢相信怎么做，再复杂再牛逼应用程序，无论是电商、游戏还是直播，都变成了有限的十几个寄存器来玩，简直太神奇了。这篇文章会把寄存器的数量和作用解释清楚，至于如何把复杂的上层程序变成这几十个寄存器来玩？这是编译器的问题，不在讨论范围之内。ARM7有37个寄存器，详见示意图：这些寄存器不能同时显示。哪些寄存器可供使用由处理器指令状态和工作模式指定。图中有一一对应关系。其中，31个通用32位寄存器被系统和用户模式复用，其余5个为异常（或称为特权中的R8_*~R14_*的寄存器）称为模式专用寄存器。请注意，r8和r8_fiq是两个不同的寄存器。名称前缀便于记忆，易于管理，并表现出同级别的概念理解。这样就组成了31●其中r13寄存器用于SP寄存器，它始终指向栈顶，因为每种工作模式都有独立的运行栈，所以有独立的寄存器来记住各自的栈顶。●同理，r14寄存器是用于LR模式切换时保存切换位置的寄存器，也是独立存在的，说明在模式间跳回时不需要重新赋值r14_*，只需跳出时保存。系统和用户态共享r13(sp)和r14(lr)寄存器，所以在每个子函数的栈帧中，必须保存上一个调用它的函数的SP和LR值，并且这两个寄存器的值执行完成后必须从栈帧中恢复，否则无法定义回去后从哪里开始计算偏移位置。r15(pc)寄存器指向代码段。所有模式重用的原因是它是共享的。一段代码，不管你跑不跑，代码段就在哪儿，不增不减。●6个状态寄存器，包括CPSR(1)和SPSR_*(5)，主要用于自运行或模式切换后的各种状态保存。●CPSR：程序状态寄存器（ccurrentprogramstatusregister)（当前程序状态寄存器），在任何处理器模式下都可以访问CPSR使得异常返回后可以恢复异常发生时的工作状态。当特定的异常中断发生时，该寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。当异常中断退出时，可以使用SPSR恢复CPSR。七种工作模式关于工作模式在鸿蒙内核源码解析（总目录）的工作模式中有详细介绍，大家可以自己去查看。这是一个简短的描述。下图摘自ARM720T.pdf第43页，在ARM系统中，CPU工作在以下七种模式：●用户模式（usr）：属于普通用户模式，不能直接切换到其他模式,以及ARM处理器的正常程序执行状态。●快速中断模式（fiq）：支持高速数据传输和通道处理，FIQ异常响应时进入该模式●外部中断模式（irq）：用于一般中断处理，IRQ异常响应时进入该模式●管理模式（svc):操作系统保护模式，当系统复位和软件中断响应时进入该模式（由系统调用触发执行软中断SWI命令）数据访问终止模式（abt）：数据或指令预取时进入该模式被终止，可以用来处理内存故障，实现虚拟内存，内存保护。●系统模式（sys）：以特权运行操作系统任务，类似于用户模式，但具有直接切换到其他模式等特权●未定义指令中止模式（und）：处理未定义指令陷阱，当未定义时进入该模式执行指令，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。除用户模式外，其余6种工作模式均属于特权模式。特权模式中除系统模式外的其他5种模式称为异常模式。大多数程序运行在用户态。进入特权模式是为了处理中断、异常，或者访问受保护的系统资源●硬件特权级别：系统模式>异常模式>用户模式??●快速中断（fiq）和慢速中断（irq）的区别：快速中断期间禁止中断加工。每种模式都有自己独立的入口和独立的运行栈空间。该系列的CPU已经介绍过，只要提供入口函数和运行空间，CPU就可以工作。入口函数解决了指令来源的问题，运行空间解决了指令运行的地方问题。而在多核的情况下，每个CPU核的每个特权模式都有自己独立的栈空间。注意是特权模式下的栈空间，用户模式下的栈空间由用户（应用）程序提供。R0寄存器R0是寄存器中的王牌，被称为一号寄存器，是通用寄存器中使用频率最高的，随便翻翻汇编代码就能看到它的影子。鸿蒙开机第一条跳转指令为r0=0reset_vector://鸿蒙开机代码/*clearregisterTPIDRPRW*/movr0,#0@r0=0mcrp15,0,r0,c13,c0,4@c0,c13=0，C13为processidentifiermeaningseepage64ofARM720T.PDF/*dosomeearlycpusetup:i/dcachedisable,mmudisabled*/@disableMMU,i/dcachemrcp15,0,r0,c1,c0,0@r0=c1,c1寄存器详细解释见page64bicr0,#(1<<12)@位清除指令，清除r0的第11位bicr0,#(1<<2|1<<0)@清除第0位和第2位，禁用MMU和缓存0位:MMUenable/disable2bits:Cacheenable/disablemcrp15,0,r0,c1,c0,0@c1=r0看自旋锁的汇编代码。这些代码已在本系列中进行了详细说明。大家可以自行前往鸿蒙内核源码解析（总目录）查看。movr1,#1@r1=11：@loop的作用，因为SEV是广播事件。lock->rawLock的值不一定改变了ldrexr2，[r0]@r0=&lock->rawLock，即r2=lock->rawLock当cmpr2、#0@r2和0不等于wfene@时，表示资源被占用，CPU核心进入休眠状态。写入r2=0cmpeqr2，#0@然后比较r2是否等于0，若相等则获取锁bne1b@若不相等则继续进入循环dmb@使用DMB指令隔离保证数据inbuffer中已经执行到RAMbxlr@这时候肯定已经获得了锁，跳回调用ArchSpinLock函数R0潜移默化的做了两件事，凸显了它的重要性：第一个参数由R0保存，当然第二个参数是保存到R1●函数的返回值统一交给R0保管，比如a->b，b执行完后会把返回值返回给r0，返回给a后，a会取来自r0的值，无论得到什么，都会认为是b的返回值。默认情况下，只有r0被识别为保存返回值，这是规则。具体看一个C函数及其汇编，系列里已经讲过了，大家可以自己看。//+++++++++++++square(c->assembly)++++++++++++++++++++++++intsquare(inta,intb){returna*b;}square(int,int):subsp,sp,#8@sp负8，表示为square分配栈空间，只用2个栈空间完成计算strr0,[sp,#4]@第一个参数入栈strr1,[sp]@第二个参数入栈入栈ldrr1,[sp,#4]@取第一个参数给r1ldrr2,[sp]@取第二个参数给r2mulr0,r1,r2@执行a*b给R0，返回值的工作一直在交给R0的addsp,sp,#8@函数执行完毕，待释放的栈空间bxlr@subroutine返回，相当于movpc,lr，即跳转到调用处//++++++++++++fp(c->程序集)++++++++++++++++++++++++intfp(intb){inta=1;returnssquare(a+b,a+b);}fp(int):push{r11,lr}@r11(fp)/lr入栈，保存调用者mainmovr11的位置，使用sp@r11保存sp值，函数栈的起始位置subsp,sp,#8@sp减8，表示为fp分配栈空间，只用2个栈空间就可以完成计算strr0,[sp,#4]@先把参数值存入SP+4，此时存入r0把参数movr0,#1@r0=1strr0,[sp]@把SPldrr0的位置存1,[sp]@把SP的值给R0ldrr1,[sp,#4]@把SP+4给R1addr1,r0,r1@的值执行r1=a+bmovr0,r1@r0=r1,用r0,r1传递参数blsquare(int,int)@firstmovlr,pc然后movpcsquare(int,int)movsp,r11@函数执行后需要释放申请的栈空间pop{r11,lr}@弹出r11和lr,lr是特殊标号，弹出时会自动复制到lr寄存器中这段代码是也适合理解后面的寄存器。R7寄存器为什么要单独说R7寄存器呢，因为它偶尔会作为一个特殊的寄存器来使用。内核为上层应用程序提供了数百个系统调用函数。当发生系统调用时，在CPU工作模式切换过程中，R7寄存器中一直保存着系统调用号，通过系统调用号可以查询到对应的注册函数。系统调用章节有详细的流程描述，这里只列出部分代码//4个参数的系统调用底层处理staticinlinelong__syscall4(longn,longa,longb,longc,longd){registerlonga7__asm__("a7")=n;//在R7寄存器中保存系统调用号registerlonga0__asm__("a0")=a;//R0registerlonga1__asm__("a1")=b;//R1registerlonga2__asm__("a2")=c;//R2registerlonga3__asm__("a3")=d;//R3__asm_syscall("r"(a7),"0"(a0),"r"(a1),"r"(a2),"r"(a3))}//切换后到SVC模式，汇编代码调用C语言实现的系统调用的统一入口LITE_OS_SEC_TEXTUINT32*OsArmA32SyscallHandle(UINT32*regs){UINT32ret;UINT8nArgs;UINTPTRhandle;UINT32cmd=regs[REG_R7];//从R7寄存器获取系统调用号handle=g_syscallHandle[cmd];//查询系统调用的注册函数//...}fp(R11)寄存器R11:可以作为一个通用寄存器，在特定的编译选项开启的情况下可以作为帧指针寄存器FP，用于实现栈回溯功能。GNU编译器（gcc）默认使用R11作为存放变量的通用寄存器，所以默认不能使用FP的stacktraceback。功能。为了支持调用栈解析功能，需要在编译参数中加入-fno-omit-frame-pointer选项，提示编译器使用R11作为FP。FP寄存器（FramePoint），帧指针寄存器，指向当前函数的父函数的栈帧起始地址。使用该寄存器可以得到父函数的栈帧，从栈帧中获取父函数的FP，可以得到祖父函数的栈帧。以此类推，可以追溯程序调用栈，得到函数之间的调用关系。在鸿蒙内核R11中，使用了FP寄存器。SP(R13)寄存器SP：栈指针寄存器（stackpointer），指向函数栈的栈顶，所以fp和sp划定了函数栈的范围，函数除了动态申请的内存需要在外面玩，剩下的可以在这个空间里玩。在鸿蒙内核R13中，使用了SP寄存器。LR(R14)寄存器的异常发生会中断程序的正常运行，并将控制流转移到相应的异常处理（异常响应）。在处理完一些异常（fiq、irq）事件后，系统还希望回到异常发生时中断的源程序断点，继续完成源程序的执行（异常返回），这就需要解决记录源程序的断点位置，以便返回正确的异常。类似于子程序调用和返回。当在主程序中调用子程序时（通过子程序调用指令），也需要在主程序中记录调用点的位置，以便日后子程序的返回。LR：链接寄存器（linkedpointer），用于解决以上问题，ARM处理器使用R14记录断点和调用点，即R14作为返回链接寄存器（LR），保证你知道你在哪里来自的位置被中断以便继续执行。在鸿蒙内核R14中，使用了LR寄存器。PC(R15)寄存器pc：程序计数器寄存器（ProgramCounterRegister）从代码段中取指令，指向代码段的具体位置。PC寄存器是与arm流水线结构相关的设计，在后续的流水线章节会详细介绍，敬请关注。在鸿蒙内核R15中，作为PC寄存器使用。CPSRregisterCPSR(currentprogramstatusregister)当前程序状态寄存器CPSR有四个8位区域：标志域(F)、状态域(S)、扩展域(X)、控制域(C)32位程序状态寄存器可分为4个字段：1.Bits[31:24]是条件标志字段，用f表示；2、bit[23:16]为状态位域，用s表示；3、bit[15:8]为扩展位域，用x表示；4.Bit[7:0]为控制位域，用c表示；CPSR不同于其他寄存器。其他的寄存器是用来存放数据的，整个寄存器是有意义的。CPSR寄存器是按位工作的，即它的每一位都有特殊的含义，记录特定的信息。CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4:0]）称为控制位，不能被程序修改，除非CPU运行在特权模式下，程序才能修改控制位位N、Z、C和V是条件代码标志。它们的内容可以通过算术或逻辑运算的结果来改变，可以判断某条指令是否被执行！重要的！●CPSR的第31位为N，符号标志。记录相关指令执行后结果是否为负。如果为负数N=1，如果为非负数N=0。●CPSR的第30位为Z，0标志。记录相关指令的结果是否为0。如果结果为0，则Z=1。如果结果不为0，则Z=0。●CPSR的第29位为C，进位标志（Carry）。通常，对无符号数执行操作。加法运算：当运算结果产生进位（无符号数溢出）时，C=1，否则C=0。减法运算（包括CMP）：当运算过程中产生借位（无符号数溢出）时，C=0，否则C=1。●CPSR的第28位为V，溢出标志（Overflow）。在进行有符号运算时，如果超出了机器可以识别的范围，就称为溢出。MSR{Condition}程序状态寄存器(CPSRorSPSR)_
