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ARM C调用约定中需要保存哪些寄存器？

cassemblyarmcalling-conventionfunction-call
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我已经有一段时间没有编写ARM汇编了，对细节有点生疏。如果我从ARM调用C函数，我只需要担心保存R0-R3和LR寄存器，是吗？

如果C函数使用其他寄存器，那么是否需要负责将这些寄存器保存到堆栈并在必要时恢复它们？换句话说，编译器会为C函数生成代码来完成这些操作。

例如，如果我在汇编函数中使用R10寄存器，我不必将其值推送到堆栈或内存中，并在C调用后弹出/恢复它，是吗？

这是针对arm-eabi-gcc 4.3.0的。

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这里有一个可能会有帮助的外部链接。APCS intro，特别是一些关于register使用的不同名称。 - artless noise
6个回答
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这取决于您正在编译的平台的ABI。在Linux上，有两种ARM ABI；旧的和新的。据我所知，新的（EABI）实际上是ARM的AAPCS。完整的EABI定义目前在ARM的infocenter上。

来自AAPCS，§5.1.1：

  • r0-r3是参数和临时寄存器；r0-r1也是结果寄存器
  • r4-r8是被调用者保存的寄存器
  • r9可能是被调用者保存的寄存器或不是（在某些AAPCS变体中，它是一个特殊寄存器）
  • r10-r11是被调用者保存的寄存器
  • r12-r15是特殊寄存器

被调用者保存的寄存器必须由被调用者保存（与调用者保存寄存器相反）；因此，如果这是您正在使用的ABI，则在调用另一个函数之前无需保存r10（另一个函数负责保存它）。

编辑：你使用的编译器并不重要；特别是gcc可以配置为几种不同的ABI，并且它甚至可以在命令行上更改。查看生成的序言/尾声代码并没有太大用处，因为它适用于每个函数和编译器可以使用其他保存寄存器的方式（例如，在函数中间保存寄存器）。

术语：“callee-save”是“non-volatile”或“call-preserved”的同义词：什么是callee和caller保存的寄存器？
在进行函数调用时，可以假设r4-r11中的值（除了可能的r9）在调用后仍然存在（call-preserved），但对于r0-r3（call-clobbered / volatile），不是这样。
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您可以从此页面下载整个ABI规范及其支持文档和示例代码的ZIP归档文件。ZIP归档文件：http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0036b/bsabi.zip - jww
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我认为更容易记住，如果你要使用r4-r11寄存器，就需要保存和恢复它们，这就是它们被称为被调用者保存的原因。 - user339222
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Alex的评论有些令人困惑，因为它是从被调用者的角度来看的。这里讨论的问题是从调用者的角度来看的。调用者在调用C函数时不需要保存r4-r11寄存器。C函数（被调用者）将保存这些寄存器。 另外，为什么没有人澄清调用者是否需要保存r9？我相信对于arm-eabi-gcc工具链，r9也是被调用者保存的。谁能指出一个解决r9问题的信息来源？ - Sven
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总结一下：在调用C函数时，需要保存寄存器r0-r3、r12（以及可能的r9）。根据我的经验，gcc在函数内部使用r12作为临时寄存器，因此即使不使用arm/thumb交互，它也不是被调用者保存的。在交互的情况下，链接器将生成粘合代码，如果arm函数调用thumb函数，则使用r12。 - Sven
@jxgn 编译器在寄存器分配器无法一次性将所有变量放入寄存器时，会使用栈的一部分来将变量“溢出”到内存中，通过加载和存储操作将变量放入寄存器或内存中。优秀的编译器会动态地改变变量在寄存器中的分配情况，特别是在循环中，以达到更好的效果。 - undefined
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32位ARM调用约定由AAPCS指定

来自AAPCS，§5.1.1 核心寄存器：

  • r0-r3是参数和临时寄存器；r0-r1也是结果寄存器
  • r4-r8是被调用者保存的寄存器
  • r9可能是被调用者保存的寄存器，也可能不是（在一些AAPCS变体中它是一个特殊寄存器）
  • r10-r11是被调用者保存的寄存器
  • r12-r15是特殊寄存器

来自AAPCS，§5.1.2.1 VFP寄存器使用约定：

  • s16–s31 (d8–d15, q4–q7)必须被保留
  • s0–s15 (d0–d7, q0–q3)和d16–d31 (q8–q15)不需要被保留

原始帖子：
arm-to-c-calling-convention-neon-registers-to-save


64位 ARM 调用约定由AAPCS64指定

通用寄存器部分指定需要保留哪些寄存器。

  • r0-r7 是参数/结果寄存器
  • r9-r15 是临时寄存器
  • r19-r28 是被调用者保存的寄存器。
  • 所有其他寄存器（r8、r16-r18、r29、r30、SP）都有特殊含义，有些可能被视为临时寄存器。

SIMD和浮点寄存器指定了Neon和浮点寄存器。

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AAPCS64链接已经失效，这里是新链接。 - swineone
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对于64位ARM，A64（来自ARM 64位架构的过程调用标准），该指令集中有31个64位通用（整数）寄存器，分别标记为r0-r30。在64位上下文中，这些寄存器通常使用名称x0-x30引用；在32位上下文中，这些寄存器使用w0-w30指定。此外，堆栈指针寄存器SP可以与受限数量的指令一起使用。

  • SP 堆栈指针
  • r30 LR 链接寄存器
  • r29 FP 帧指针
  • r19…r28 被调用者保存的寄存器
  • r18 平台寄存器（如果需要）；否则为临时寄存器。
  • r17 IP1 第二个内部过程调用临时寄存器（可供调用嵌板和PLT代码使用）；在其他时间可能被用作临时寄存器。
  • r16 IP0 第一个内部过程调用临时寄存器（可供调用嵌板和PLT代码使用）；在其他时间可能被用作临时寄存器。
  • r9…r15 临时寄存器
  • r8 间接结果位置寄存器
  • r0…r7 参数/结果寄存器

前八个寄存器r0-r7 用于将参数值传递到子程序中，并从函数中返回结果值。它们也可以用于在例程内保存中间值（但一般仅在子程序调用之间使用）。

寄存器r16（IP0）和r17（IP1）可以由链接器用作例程和任何被调用的子例程之间的临时寄存器。它们还可以在例程内用于保存子例程调用之间的中间值。

寄存器r18的作用与平台相关。如果平台ABI需要一个专门用于承载程序间状态（例如线程上下文）的通用寄存器，则应将此寄存器用于该目的。如果平台ABI没有这样的要求，则应将r18用作额外的临时寄存器。平台ABI规范必须记录此寄存器的用法。

SIMD

ARM 64位架构还有另外32个寄存器，v0-v31，可用于SIMD和浮点运算。精确的寄存器名称会根据访问大小而改变。

注意：与AArch32不同，在AArch64中，SIMD和浮点寄存器的128位和64位视图不会重叠多个较窄视图的寄存器，因此q1、d1和s1都指向寄存器库中的同一项。

前八个寄存器v0-v7用于向子例程传递参数值并从函数返回结果值。它们也可以用于在例程内保存中间值（但一般仅在子例程调用之间使用）。

寄存器v8-v15必须由被调用者在子例程调用之间保留；剩余的寄存器（v0-v7，v16-v31）不需要被保留（或应由调用者保留）。此外，只需保留在v8-v15中存储的每个值的底部64位；保留更大值的责任由调用方承担。

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CesarB和Pavel的回答引用了AAPCS的内容，但仍存在未解决的问题。被调用者是否保存r9？r12呢？r14呢？此外，这些答案都很笼统，并不针对所需的arm-eabi工具链进行说明。以下是一种实用的方法，可以找出哪些寄存器是被调用者保存的，哪些不是。
以下C代码包含一个内联汇编块，它声称要修改寄存器r0-r12和r14。编译器将生成保存ABI所需寄存器的代码。
void foo() {
  asm volatile ( "nop" : : : "r0", "r1", "r2", "r3", "r4", "r5", "r6", "r7", "r8", "r9", "r10", "r11", "r12", "r14");
}

使用命令行 arm-eabi-gcc-4.7 -O2 -S -o - foo.c 并为您的平台添加开关（例如，-mcpu=arm7tdmi）。 该命令将在标准输出上打印生成的汇编代码。它可能看起来像这样：

foo:
    stmfd   sp!, {r4, r5, r6, r7, r8, r9, sl, fp, lr}
    nop
    ldmfd   sp!, {r4, r5, r6, r7, r8, r9, sl, fp, lr}
    bx  lr

注意，编译器生成的代码会保存和恢复r4-r11。编译器不保存r0-r3和r12。它恢复r14（别名lr）纯属偶然，因为我从经验中知道退出码也可能将保存的lr加载到r0中，然后执行“bx r0”而不是“bx lr”。通过添加-mcpu=arm7tdmi -mno-thumb-interwork或使用-mcpu=cortex-m4 -mthumb，我们可以获得略有不同的汇编代码，看起来像这样：
foo:
    stmfd   sp!, {r4, r5, r6, r7, r8, r9, sl, fp, lr}
    nop
    ldmfd   sp!, {r4, r5, r6, r7, r8, r9, sl, fp, pc}

再次强调，r4-r11需要被保存和恢复。但是r14（别名lr）不需要恢复。
总结一下：
- r0-r3不需要被保存 - r4-r11需要被保存 - r12（别名ip）不需要被保存 - r13（别名sp）需要被保存 - r14（别名lr）不需要被保存 - r15（别名pc）是程序计数器，并且在函数调用之前设置为lr的值
以上至少适用于arm-eabi-gcc的默认设置，有命令行开关（特别是-mabi开关）可能会影响结果。
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你的分析是错误的；lr 作为 pc 弹出以更快地返回。你 r9 问题的答案在 APCS 中。在这个文档中，它被称为 静态基址，而 可重入代码与不可重入代码 部分是相关的。APCS 支持多种配置，但 gcc 通常是没有 堆栈限制 的 可重入。特别地，在某些 APCS 变体中，sb/r9 和 sl/r10 有专门的角色。在其他变体中，它们可能被用作被调用者保存的寄存器。 - artless noise
有关pc和lr的详细信息，请参见ARM链接寄存器和帧指针。 r12也称为ip，可以在序言和尾声期间使用。它是一个易失性寄存器。这对于解析调用堆栈/帧的例程非常重要。 - artless noise
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“lr”被恢复到“pc”是正确的，但不能期望“lr”的值本身被恢复。我不认为这有什么问题。该值最终出现在不是“lr”的寄存器中对于“lr”是否被恢复的问题完全无关。您是正确的，随着“-mabi”选项的更改，将恢复和未恢复的寄存器集可能会发生变化。 - Sven
现在，我正在为ARM7TDMI编写一个嵌套中断的汇编包装器。调用C代码时是否保留lr的值很重要，因为汇编包装器必须将lr的值恢复到先前的值。因此，了解lr是否被调用者保存并不是那么假设性的问题。 - Sven
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这正是我正在寻找的——一种查找由我项目使用的特定编译器设置保留的寄存器的方法。谢谢！ - TonyK
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在Cortex M3体系结构中，函数调用和中断至少有一个区别。

如果发生中断，它将自动将R0-R3、R12、LR、PC推入堆栈，并在从IRQ返回时自动进行POP。如果您在IRQ例程中使用其他寄存器，则必须手动将它们推入/弹出堆栈。

我认为这种自动PUSH和POP不是为了函数调用（跳转指令）而设计的。如果约定规定R0-R3只能用作参数、结果或暂存寄存器，则在函数调用之前无需存储它们，因为在函数返回后不应再使用任何值。但是与中断相同，如果您在函数中使用其他CPU寄存器，则必须存储它们。

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