Структура штабеля

Эта среда использует штабель, становящийся нисходящим и содержащий информацию о связи, локальные переменные и информацию о параметре функции, как показано на рисунке 1. (Чтобы помочь предотвратить выполнение вредоносного кода на штабеле, GCC защищает штабель от выполнения.)

Указатель вершины стека (SP) указывает на нижнюю часть штабеля. Штабель имеет фиксированный тип телосложения, который известен во время компиляции.

Стековый фрейм вызывающей подпрограммы включает область параметра и некоторую информацию о связи. Область параметра имеет параметры, которые вызывающая сторона передает вызванной функции или пространству для них, в зависимости от типа каждого параметра и доступности регистров (см. Передающие Параметры за подробные данные). Так как вызывающая подпрограмма может вызвать несколько функций в 32-разрядной среде PowerPC, область параметра является обычно достаточно большой для размещения самого большого списка аргументов всех функций вызовы вызывающей стороны. Это - ответственность вызывающей подпрограммы установить область параметра перед каждым вызовом функции. Вызванная функция ответственна за доступ к параметрам, помещенным в область параметра.

Первые 32 байта в области параметра соответствуют регистрам общего назначения GPR3 через GPR10. Когда данные помещены в регистр общего назначения и не дублированы в области параметра, соответствующий раздел в области параметра резервируется в случае, если вызванная функция должна скопировать значение в регистре к штабелю. Таблица 3 показывает корреспонденцию расположений области параметра к регистрам общего назначения, которые могут использоваться для передачи параметров.

Когда параметры помещаются в область параметра или в GPR3 через GPR10, это правила выравнивания, соблюденные:

1. Все невекторные параметры выровненные на 4-байтовых границах.

2. Векторные параметры выровненные на 16-байтовых границах.

3. Несоставные параметры (т.е. параметры, которые не являются массивами или структурами данных) меньший, чем 4 байта занимают старшие байты своей 4-байтовой области.

4. Составные параметры (массивы, структуры и объединения) 1 или 2 байта в размере занимают байты младшего разряда своей 4-байтовой области. Им предшествуют путем дополнения к 4 байтам.

   Это правило противоречиво с другими 32-разрядными двоичными интерфейсами PowerPC. В ЭКС-АН-ПРОВАНСЕ и Mac OS 9 (и ранее), дополняющие байты всегда следуют за структурой данных даже в случае составных параметров, меньших, чем 4 байта.

5. Составные параметры 3 байта или больше в размере занимают старшие байты своей 4-байтовой области. Они сопровождаются путем дополнения для создания кратного числа 4 байтов с дополнительными байтами, являющимися неопределенным.

Например, рассмотрите foo функция, объявленная как это:

void foo(SInt32 i1, float  f1, double d1, SInt16 s1, double d2,

         UInt8  c1, UInt16 s2, float  f2, SInt32 i2);

Таблица 4 показывает, как параметрами функции являются присвоенные расположения в области параметра. Присвоение принимает во внимание 4-байтовое выравнивание, требуемое для каждого параметра.

Область связи вызывающей подпрограммы содержит много значений, некоторые из которых сохраняются вызывающей подпрограммой и некоторыми вызванной функцией. Элементы в области связи:

• Регистр ссылки (LR). Его значение сохраняется в 8(SP) вызванной функцией, если это принимает решение сделать так. Регистр ссылки содержит обратный адрес инструкции, следующей за ответвлением и инструкцией ссылки.

• Регистр условия (CR). Его значение может быть сохранено в 4(SP) вызванной функцией. Регистр условия содержит результаты операций сравнения. Как с регистром ссылки, вызванная процедура не требуется, чтобы сохранять это значение.

• Указатель вершины стека (SP). Его значение может быть сохранено в 0(SP) вызванной функцией как часть ее стекового фрейма. Листовые функции не требуются, чтобы сохранять указатель вершины стека. Листовая функция является функцией, не вызывающей никакие другие функции.

Область связи наверху штабеля, смежного с указателем вершины стека. Это расположение необходимо так, чтобы вызывающая подпрограмма могла найти и восстановить значения, сохраненные там, и также позволить вызванной функции находить область параметра вызывающей стороны. Это размещение означает, что подпрограмма не может продвинуть и вытолкать параметры от штабеля, как только устанавливается стековый фрейм.

Стековый фрейм также включает пространство для локальных переменных вызванной функции. Однако некоторые регистры также доступны для использования вызванной функцией; посмотрите Сохранение Регистра для подробных данных. Если бы подпрограмма содержит больше локальных переменных, чем поместился бы в регистры, она использует дополнительное пространство на штабеле. Размер области локальной переменной определяется во время компиляции. Как только стековый фрейм выделяется, размер области локальной переменной не изменяется.

Прожурналы и эпилоги

Вызванная функция ответственна за выделение ее собственного стекового фрейма, удостоверяясь сохранять 16-байтовое выравнивание в штабеле. Эта работа выполняется разделом кода, названного Прологом, который компилятор помещает перед организацией подпрограммы. После организации подпрограммы компилятор помещает эпилог для восстановления процессора к состоянию, которым это было до вызова подпрограммы.

Сгенерированный компилятором код Пролога делает следующее:

1. Постепенно уменьшает указатель вершины стека для учета нового стекового фрейма и пишет предыдущее значение указателя вершины стека к его собственной области связи, гарантирующей, что штабель может быть восстановлен его исходному состоянию после возврата из вызова.

   Важно, чтобы декремент и задачи обновления произошли атомарно (например, с stwu, stwux, stdu, или stdux) так, чтобы указатель вершины стека и обратный канал были в непротиворечивом состоянии. Иначе, асинхронные сигналы или прерывания могли повредить штабель.

2. Сохраняет все энергонезависимые регистры с плавающей точкой и общего назначения в область сохраненных регистров. Обратите внимание на то, что, если вызванная функция не изменяет определенный энергонезависимый регистр, она не сохраняет его.

3. Сохраняет регистр ссылки и значения регистра условия в области связи вызывающей стороны, в случае необходимости.

Перечисление 1 показывает пример Пролога подпрограммы. Заметьте, что порядок этих действий отличается от порядка, ранее описанного.

  Пролог перечисления 1 В качестве примера

linkageArea = 24                                           ; size in 32-bit PowerPC ABI

params = 32                                                ; callee parameter area

localVars = 0                                              ; callee local variables

numGPRs = 0                                                ; volatile GPRs used by callee

numFPRs = 0                                                ; volatile FPRs used by callee

spaceToSave = linkageArea + params + localVars + 4*numGPRs + 8*numFPRs

spaceToSaveAligned = ((spaceToSave+15) & (-16))            ; 16-byte-aligned stack

_functionName:                                             ; PROLOG

    mflr        r0                                         ; extract return address

    stw         r0, 8(SP)                                  ; save the return address

    stwu        SP, -spaceToSaveAligned(SP)                ; skip over caller save area

В конце подпрограммы сгенерированный компилятором эпилог делает следующее:

1. Восстанавливает энергонезависимые регистры с плавающей точкой и общего назначения, сохраненные в стековом фрейме.

   Энергонезависимые регистры сохраняются в новом стековом фрейме, прежде чем указатель вершины стека будет обновлен только, когда они соответствуют в пространстве ниже указателя вершины стека, где новый стековый фрейм обычно выделялся бы, также известен как красная зона. Красная зона является по определению достаточно большой для содержания всех энергонезависимых регистров с плавающей точкой и общего назначения, но не энергонезависимых векторных регистров. Посмотрите Красную Зону для подробных данных.

2. Восстанавливает регистр условия и значения регистра ссылки, которые были сохранены в области связи.

3. Восстанавливает указатель вершины стека к его предыдущему значению.

4. Возвраты управляют к вызывающая подпрограмма с помощью адреса, сохраненного в регистре ссылки.

Перечисление 2 показывает эпилог в качестве примера.

  Эпилог перечисления 2 В качестве примера

                                                   ; EPILOG

lwz            r0, spaceToSaveAligned + 8(SP)      ; get the return address

mtlr           r0                                  ;    into the link register

addi           SP, SP, spaceToSaveAligned          ; restore stack pointer

blr                                                ;    and branch to the return address

Регистр VRSAVE используется для указания, какие векторные регистры должны быть сохранены во время контекстного переключения процесса или потока. Перечисление 3 показывает Пролог в качестве примера, устанавливающий VRSAVE так, чтобы вектор зарегистрировался, V0 через V2 сохраняются. Перечисление 3 также включает эпилог, восстанавливающий VRSAVE к его предыдущему состоянию.

  Использование перечисления 3 В качестве примера регистра VRSAVE

#define VRSAVE 256                           //  VRSAVE IS SPR# 256

    _functionName:

        mfspr    r2, VRSAVE                  ; get vector of live VRs

        oris         r0, r2, 0xE000          ; set bits 0-2 since we use V0..V2

        mtspr    VRSAVE, r0                  ; update live VR vector before using any VRs

        ; Now, V0..V2 can be safely used.

        ; Function body goes here.

        mtspr    VRSAVE, r2                  ; restore VRSAVE

        blr                                  ; return to caller

Красная зона

Пространство ниже указателя вершины стека, где новый стековый фрейм обычно выделялся бы подпрограммой, вызывают красной зоной. Красную зону, показанную на рисунке 2, считают частью текущего стекового фрейма. Эта область не изменяется асинхронными нажатиями, такими как сигналы или обработчики прерываний. Поэтому красная зона может использоваться в любой цели, пока новый стековый фрейм не должен быть добавлен к штабелю. Однако содержание красной зоны, как предполагается, уничтожается любым синхронным вызовом.

Например, потому что листовая функция не вызывает никакие другие функции — и, поэтому, не выделяет область параметра на штабеле — это может использовать красную зону. Кроме того, такая функция не должна использовать штабель для хранения локальных переменных; это должно сохранить только энергонезависимые регистры, которые это использует для локальных переменных. С тех пор, по определению, не больше, чем одна листовая функция активна в любое время в потоке, нет никакой возможности многократных листовых функций, конкурирующих за то же красное зональное пространство.

Листовая функция может или может не выделить стековый фрейм и постепенно уменьшить указатель вершины стека. Когда это не выделяет стековый фрейм, листовая функция хранит регистр ссылки и значения регистра условия в области связи подпрограммы, вызывающей его (если необходимый), и хранит значения любых энергонезависимых регистров, которые это использует в красной зоне. Эта оптимизация означает, что листовой Пролог функции и эпилог выполняют минимальную работу; они не должны устанавливать и приводить в нерабочее состояние стековый фрейм.

Размер красной зоны составляет 224 байта, который является достаточным количеством пространства для хранения значений девятнадцати 32-разрядных регистров общего назначения и восемнадцати 64-разрядных регистров с плавающей точкой, окруженных к самой близкой 16-байтовой границе. Если бы красное зональное использование функции листа превысило бы красный зональный размер, оно должно установить стековый фрейм, как функции, вызывающие другие функции, делают.

Передача параметров

На языке C функции могут объявить свои параметры с помощью одного из трех соглашений:

• Типы всех параметров указаны в прототипе функции. Например:

  int foo(int, short);

  В этом случае тип параметров всей функции известен во время компиляции.

• Прототип функции объявляет некоторые фиксированные параметры и некоторые нефиксированные параметры. Группу нефиксированных параметров также вызывают списком аргумента переменной. Например:

  int foo(int, ...);

  В этом случае, тип одного из параметров функции в известном во время компиляции. Тип нефиксированных параметров не известен.

• Функция не имеет никакого прототипа или использует предANSI C объявление. Например:

  int foo();

  В этом случае тип параметров всей функции неизвестен во время компиляции.

Когда компилятор генерирует Пролог к вызову функции, это использует информацию от объявления функции, чтобы решить, как параметры передаются функции. Когда компилятор знает тип параметра, это передает его самым эффективным возможным способом. Но когда тип неизвестен, он передает параметр с помощью самого безопасного подхода, который может вовлечь помещающие данные и в регистры и в область параметра. Для вызванных функций для доступа к их параметрам правильно важно, чтобы они знали, когда параметры передаются в штабеле или в регистрах.

Параметры передаются в штабеле в регистрах, или и, в зависимости от их типов и, в зависимости от доступности регистров. Существует три типа регистров: общая цель, плавающая точка и вектор. Регистры общего назначения (GPRs) являются 32-разрядными регистрами, которые могут управлять интегральными значениями и указателями. Регистры с плавающей точкой (FPRs) являются 64-разрядными регистрами, которые могут управлять одинарной точностью и двойной точностью значения с плавающей точкой. Векторные регистры являются 128-разрядными регистрами, которые могут управлять 4 - 16 блоками данных параллельно.

Регистры, которые могут использоваться для передачи параметров вызванным функциям, являются регистрами общего назначения GPR3 через GPR10, регистры с плавающей точкой FPR1 через FPR13, и вектор регистрирует V2 через V13 (см. Сохранение Регистра для подробных данных). Эти регистры также известны как регистры параметра.

Как правило, вызванная подпрограмма получает параметры от регистров. Однако вызывающая сторона генерирует область параметра в стековом фрейме вызывающей стороны, который является достаточно большим для содержания всех параметров, переданных вызванной функции, независимо от того, сколько из параметров фактически передается в регистрах. (Можно думать об области параметра как о структуре данных, имеющей пространство для содержания всех параметров в данном вызове.) Существует несколько причин их, интригуйте:

• Это предоставляет вызванной функции пространство в штабеле для хранения основанного на регистре параметра, если это хочет использовать один из регистров параметра в некоторой другой цели. Например, вызываемый может использовать, они располагают с интервалами для передачи параметров функции, которую это вызывает.

• Функции со списками аргумента переменной должны часто получать доступ к своим параметрам от RAM, не от регистров. Такие функции должны зарезервировать 32 байта (8 регистров) в области параметра для содержания значений параметров.

Для упрощения отладки GCC пишет параметры из регистров параметра в область параметра в стековом фрейме. Это позволяет Вам видеть все параметры путем рассмотрения только области параметра.

Компилятор использует соблюдающие правила когда передающие параметры подпрограммам:

• Параметры, тип которых известен во время компиляции, обрабатываются следующим образом:

  1. Скаляр, элементы нес плавающей точкой помещаются в регистры общего назначения GPR3 через GPR10. Поскольку каждый регистр используется, вызывающая сторона выделяет соответствующий раздел регистра в области параметра, как описано в Структуре Штабеля. Когда регистры общего назначения исчерпываются, вызывающая сторона помещает скаляр, элементы нес плавающей точкой в области параметра.

  2. Вызывающая сторона помещает параметры с плавающей точкой в регистры с плавающей точкой FPR1 через FPR13. Поскольку каждый регистр с плавающей точкой используется, вызывающая сторона пропускает один или несколько регистров общего назначения, на основе размера параметра. (Например, a float элемент заставляет один (4-байтовый) регистр общего назначения быть пропущенным. A double элемент заставляет два регистра общего назначения быть пропущенными.), Когда регистры с плавающей точкой исчерпываются, вызывающая сторона помещает элементы с плавающей точкой в область параметра.

  3. Вызывающая сторона помещает структуры (struct элементы) только с одним несоставным элементом в регистрах с плавающей точкой или общего назначения, в зависимости от того, является ли элемент целым числом или значением с плавающей точкой. Например, вызывающая сторона помещает структуру, состоявшую из a float элемент в регистре с плавающей точкой, не регистре общего назначения. Когда регистры требуемого типа исчерпываются, структуры мест вызывающей стороны в области параметра.

  4. Места вызывающей стороны vector параметры в векторных регистрах V2 через V13. Для процедур с постоянным числом параметров присутствие векторов не влияет на выделение регистров общего назначения и регистров с плавающей точкой. Вызывающая сторона не выделяет площадь для vector элементы в области параметра его стекового фрейма, если число vector элементы превышают число применимых векторных регистров.

  5. Когда число параметров превышает число применимых регистров, вызывающая сторона помещает избыточные параметры в область параметра.

• Параметры, тип которых не известен во время компиляции (функции со списками аргумента переменной или использованием предANSI C прототипы) обрабатываются следующим образом:

  1. Вызывающая сторона помещает невекторные элементы и в регистры общего назначения и в регистры с плавающей точкой.

     Поскольку компилятор не знает тип параметра, это не может определить, должен ли параметр быть передан в регистре общего назначения или в регистре с плавающей точкой. Поэтому вызывающие стороны помещают каждый параметр в регистр с плавающей точкой и соответствующие регистры общего назначения на основе размера параметра.

  2. Места вызывающей стороны vector элементы в векторных регистрах и регистрах общего назначения (каждый векторный элемент требует четырех регистров общего назначения. Вызывающая сторона также выделяет площадь в области параметра, соответствующей используемым регистрам общего назначения.

Например, рассмотрите foo функция, объявленная как это:

void foo(SInt32 i1, float  f1, double d1, SInt16 s1, double d2,

         UInt8  c1, UInt16 s2, float  f2, SInt32 i2);

Вызывающая сторона помещает каждый параметр foo в регистре общего назначения, регистре с плавающей точкой или области параметра, в зависимости от типа данных параметра и доступности регистра. Таблица 5 описывает этот процесс.

Рисунок 3 иллюстрирует присвоение foo параметры к регистрам и области параметра. Следует иметь в виду, что единственные параметры, помещенные в область параметра, s2 и i2.

Вызванная функция может получить доступ к фиксированным параметрам, как обычно. Но это копирует регистры общего назначения в область параметра и получает доступ к значениям оттуда. Перечисление 4 показывает подпрограмму что доступы неопределенные параметры путем обхода через штабель.

Перечисление 4  процедура аргумента переменной

#include <stdarg.h>

double dsum(int count, ...) {

    double sum = 0.0;

    double val;

    va_list arg;

    va_start(arg, count);

    while (count > 0) {

        val = va_arg(arg, double);

        sum += val;

        count--;

    }

    va_end(arg);

    return sum;

}

Возврат результатов

Следующий список описывает, куда возвращаемое значение функции передается вызывающей стороне.

• Скаляры, меньшие, чем 4 байта (такой как char и short) помещаются в низкое слово GPR3. Высокое слово регистра не определено.

• Скаляры 4 байта в размере (такой как long, int, и указатели, включая указатели массива), помещаются в GPR3.

• Значения типа long long возвращаются в высоком слове GPR3 и низком слове GPR4.

• Значения с плавающей точкой помещаются в FPR1.

• Составные значения (такой как struct и union) и значения, больше, чем 4 байта, помещаются в расположение, на которое указывает GPR3. Посмотрите Передающие Параметры для получения дополнительной информации.

Сохранение регистра

Таблица 6 перечисляет 32-разрядные регистры архитектуры PowerPC, используемые в этой среде и их энергозависимости в вызовах функции. Регистры, которые должны сохранить их значение после вызова функции, вызывают энергонезависимые.