Структура штабеля

Эта среда использует штабель, становящийся нисходящим и содержащий информацию о связи, локальные переменные и информацию о параметре подпрограммы, 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 подпрограмме 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 подпрограмм, область параметра должна быть достаточно большой для размещения самого большого списка аргументов всех подпрограмм 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.

Байты 48 - 112 из 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 подпрограмма 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 площадь выделена для параметра в области параметра, выделенная площадь может быть больше, чем тип параметра. В этом случае параметр «способствуется» большему типу данных. Адрес каждого параметра является адресом предыдущего параметра плюс размер продвинутого типа предыдущего параметра.

Когда параметры помещаются в область параметра или в регистры общего назначения, это правила продвижения и выравнивания, соблюденные:

1. Целые числа продвинуты на long. Например, short элементы расширяются до знака на 64 бита, и unsigned int элементы дополняются нулем слева к 64 битам.

2. Элементы с плавающей точкой продвинуты на double.

3. Составные параметры (массивы и структуры) обрабатываются этот путь:

   1. Выровненный размер вычислен путем добавления необходимого дополнения для создания его кратным числом выравнивания.

   2. Если выровненный размер равняется 1, 2 или 4, параметру предшествуют путем дополнения к 4 байтам.

   3. Иначе, параметр сопровождается путем дополнения для создания его размера кратным числом 4 байтов с дополнительными байтами, являющимися неопределенным. (GCC дополняет 0.

4. Параметры с 16-байтовым естественным выравниванием (например, векторы или структуры, содержащие вектор), выровненных 16 байтов.

Например, примите функцию foo объявляется как это:

int foo(int i, float f, long l, vector int v,

        double d, void* p, char c, short s);

Расположение области параметра было бы как показано в Таблице 4.

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

• Регистр ссылки (LR). Это - значение, сохраняется в 16(SP) вызванной функцией, если это принимает решение сделать так. Регистр ссылки содержит обратный адрес инструкции, следующей за ответвлением и инструкцией ссылки.

• Регистр условия (CR). Это - значение, может быть сохранен в 8(SP) вызванной функцией. Регистр условия содержит результаты операций сравнения. Как с регистром ссылки, вызванная подпрограмма не требуется, чтобы сохранять это значение. Поскольку регистр условия является 32-разрядным регистром, байты, 12 - 15 из стекового фрейма не использованы, но зарезервированы.

• Указатель вершины стека (SP). Это - значение, может быть сохранен в 0(SP) вызванной функцией как часть ее стекового фрейма. Листовые подпрограммы не требуются, чтобы сохранять указатель вершины стека. Листовая функция является подпрограммой, не вызывающей никакую другую функцию.

Область связи наверху стекового фрейма, смежного с указателем вершины стека. Это расположение необходимо, таким образом, вызывающая подпрограмма может найти и восстановить значения, сохраненные там, и также позволить вызванной подпрограмме 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 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 может измениться.

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 в его собственную область связи, гарантирующую, 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 стандартного Пролога. Заметьте, что порядок этих действий отличается от порядка, ранее описанного.

  Пролог перечисления 1 В качестве примера

linkageArea = 48                                           ; size in 64-bit PowerPC ABI

params = 64                                                ; 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 + 8*numGPRs + 8*numFPRs

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

_functionName:                                             ; PROLOG

    mflr        r0                                         ; extract return address

    std         r0, 16(SP)                                 ; save the return address

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

В конце функции 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 вызывающей подпрограмме с помощью адреса, сохраненного в регистре ссылки.

Перечисление 2 показывает эпилог в качестве примера.

  Эпилог перечисления 2 В качестве примера

                                                    ; EPILOG

ld             r0, spaceToSaveAligned + 16(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 самого верхнего (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. Так как 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 288 байтов, который является достаточным количеством пространства для хранения значений девятнадцати 64-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 передать параметры 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 или в регистрах в зависимости от их типов и доступности регистров. Существует три типа регистров: общая цель, плавающая точка и вектор. Регистры общего назначения (GPRs) являются 64-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.

Компилятор использует соблюдающие правила когда передающие параметры подпрограммам:

• Параметры, продвинутый тип которых известен во время компиляции, обрабатываются с помощью этих правил (см. Структуру Штабеля для подробных данных о продвинутом типе параметра):

  1. Вызывающая сторона помещает элементы с плавающей точкой (кроме long double элементы) в регистрах с плавающей точкой FPR1 через FPR13. Поскольку каждый регистр с плавающей точкой используется, вызывающая сторона пропускает следующий доступный регистр общего назначения. Когда регистры с плавающей точкой исчерпываются, вызывающая сторона помещает эти элементы в область параметра.

  2. Места вызывающей стороны long double элементы — которые используют пару float элементы — в двух регистрах с плавающей точкой. Поскольку каждая пара регистров с плавающей точкой используется, вызывающая сторона пропускает следующие два доступных регистра общего назначения. Когда регистры с плавающей точкой исчерпываются, вызывающая сторона помещает эти элементы в область параметра.

  3. Места вызывающей стороны vector элементы в векторных регистрах V2 через V13. Использование векторного регистра не влияет на доступность регистров общего назначения. Т.е. никакие регистры общего назначения не пропускаются в результате использования векторного регистра. Когда векторные регистры исчерпываются, вызывающая сторона помещает эти элементы в область параметра.

  4. Вызывающая сторона помещает элементы всех других типов данных — включая complex (определенный в complex.h) — в регистрах общего назначения GPR3 через GPR10, когда доступно. Когда регистры общего назначения исчерпываются, вызывающая сторона помещает эти элементы в область параметра.

     Структуры, которые составляют 16 байтов в размере, обрабатываются, как будто они были парой 64-разрядных целых чисел. Поэтому они размещаются в два регистра общего назначения. Примеры структур, удовлетворяющих этот критерий, включают структуру, содержащую четыре float поля и структура, содержащая два double поля. Структуры, содержащие три float поля, например, быть обработанными с помощью правила 5.

  5. Вызывающая сторона рекурсивно обрабатывает элементы структур, переданных значением и содержащий объединения:

     • Поля с плавающей точкой обрабатываются с помощью правила 1 или правила 2, в зависимости от их типа.

     • Векторные поля обрабатываются с помощью правила 3.

     • Поля всех других типов — включая массивы — обрабатываются с помощью правила 4.

• Параметры предANSI функция C–declared обрабатываются следующим образом:

  1. Вызывающая сторона помещает элементы с плавающей точкой в регистры с плавающей точкой и регистры общего назначения, когда доступно. Иначе, вызывающая сторона размещает их в область параметра.

  2. Места вызывающей стороны vector элементы в векторных регистрах и регистрах общего назначения, когда доступно. Иначе, вызывающая сторона размещает их в область параметра.

  3. Вызывающая сторона помещает элементы всех других типов в регистрах общего назначения, когда доступно. Иначе, вызывающая сторона размещает их в область параметра.

• Параметры, которые являются частью списка аргумента переменной, помещаются в регистры общего назначения, когда доступно. Иначе, вызывающая сторона размещает их в область параметра.

Используя ANSI C прототипы

Когда типы всех параметров подпрограммы известны во время компиляции, размещение параметров в регистры является прямым.

Например, предположите, что подпрограмма вызывает функцию foo_ansi заявленный как это:

int foo_ansi(int i, float f, long l, vector int v,

double d, void* p, char c, short s);

Вызывающая сторона помещает параметры функции как показано в Таблице 5.

  Параметры Table 5 Passing функции, объявляющей все типы ее параметров

Параметр	Ввести	Помещенный в	Причина
я	int	GPR3	Не или векторный элемент с плавающей точкой.
f	float	FPR1	Сначала элемент с плавающей точкой, таким образом, это входит в первый регистр с плавающей точкой. GPR4 пропускается.
l	long	GPR5	Не или векторный элемент с плавающей точкой.
v	vector int	V2	Первый векторный элемент, таким образом, это входит в первый векторный регистр. Никакой регистр общего назначения не пропускается.
d	double	FPR2	Второй элемент с плавающей точкой, таким образом, это входит в следующий доступный регистр с плавающей точкой. GPR6 пропускается.
p	void*	GPR7	Не или векторный элемент с плавающей точкой.
c	char	GPR8	Не или векторный элемент с плавающей точкой.
s	short	GPR9	Не или векторный элемент с плавающей точкой.

Рисунок 3 иллюстрирует размещение параметров в регистрах и области параметра.

struct data {

    float f;

    int i;

    double d;

    vector float v;

};

int bar(int a, struct data b, void* c);

struct numbers {

    float f;

    int i;

};

extern void var(int a, float b, vector float c, struct numbers n, ...);

int i1, i2;

float f1, f2;

vector float v1, v2;

struct numbers n1, n2;

...

var(i1, f1, v1, n1, i2, f2, v2, n2);

struct numbers {

    float f;

    int i;

};

void foo_pre_ansi();

...

int i;

float f;

vector float v;

struct numbers n;

...

foo_pre_ansi(i, f, v, n);

Возврат результатов

Функциональный результат может быть возвращен в регистрах или в памяти, в зависимости от типа данных возвращаемого значения функции. Когда возвращаемое значение вызванной функции было бы передано в регистрах, если бы это было передано в качестве параметра в вызове функции, вызванная функция помещает свое возвращаемое значение в те же регистры. Иначе, функция помещает свой результат в расположении, на которое указывает GPR3. Посмотрите Передающие Параметры для получения дополнительной информации.

Таблица 9 перечисляет некоторые примеры того, как возвращаемые значения могут быть переданы вызывающей подпрограмме.

Сохранение регистра

Таблица 10 перечисляет 64-разрядные регистры архитектуры PowerPC, используемые в этой среде и их энергозависимости в вызовах подпрограммы. Регистры, которые должны сохранить их значение после вызова функции, вызывают энергонезависимые.