ARM的栈与栈指令

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

参考链接:

https://www.cnblogs.com/fanzhidongyzby/p/5250116.html

https://www.cnblogs.com/barrychen528/articles/3088328.html



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