MIPS如何在堆栈上使用帧指针FP？

Question

我的问题是：MIPS如何在栈上使用帧指针FP？我不太明白指针FP如何与指针SP一起工作。

- lemar hadad

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这回答了你的问题吗？帧指针有什么优点？ - ggorlen

Answer 1

通常情况下并非只针对MIPS而言，栈指针一般需要指向堆栈的“顶部”（一个相对术语），指向堆栈中的最后一个元素或第一个空闲点取决于架构。

当程序进入函数时，如果考虑高级语言及其实现，则可能需要一些本地存储，例如本地变量、参数副本、返回值等无法保存在寄存器中的内容。简单的方法是将帧指针设置为进入函数时的堆栈指针位置，然后将堆栈指针向前移动以分配所需的存储空间，使得中断或嵌套函数调用可以使用堆栈指针来指向堆栈的末尾。

函数中的代码使用帧指针（或堆栈指针）作为参考点，通过偏移地址来访问该函数的每个项。例如，第一个传入的参数可能保存在帧指针-4，第二个传入的参数可能保存在帧指针-8，第一个本地变量可能位于帧指针-12等。编译器已经完成了它的工作，并且不仅知道该函数的堆栈上有多少项，还知道它们的偏移量，因此在编码指令时可以轻松地引用sp或fp。

你可以看到这在许多/大多数体系结构上都有重复出现，例如MIPS、ARM、x86等，并且很多/大多数编译器都使用了这种方法。这并非只针对MIPS而言。

编辑

extern unsigned int more_fun ( unsigned int );
unsigned int fun ( unsigned int a, unsigned int b )
{
    unsigned int c;
    c = a + more_fun(b);
    return(c);
}

Mips和ARM等处理器都不需要/不想使用帧指针，你可以全部使用堆栈指针来完成操作。当指令集没有堆栈相对寻址、寄存器数量有限等情况时，这非常有帮助。

在Mips上，以上代码的好或坏示例可能如下所示：

00000000 <fun>:
   0:   27bdffe8    addiu   sp,sp,-24
   4:   afb00010    sw  s0,16(sp)
   8:   00808021    move    s0,a0
   c:   afbf0014    sw  ra,20(sp)
  10:   0c000000    jal 0 <fun>
  14:   00a02021    move    a0,a1
  18:   8fbf0014    lw  ra,20(sp)
  1c:   00501021    addu    v0,v0,s0
  20:   8fb00010    lw  s0,16(sp)
  24:   03e00008    jr  ra
  28:   27bd0018    addiu   sp,sp,24

堆栈帧被设置，但它使用堆栈指针，堆栈指针用于寻址堆栈以查找函数局部信息。

ARM甚至不需要使用堆栈来存储这些本地项。

00000000 <fun>:
   0:   e92d4010    push    {r4, lr}
   4:   e1a04000    mov r4, r0
   8:   e1a00001    mov r0, r1
   c:   ebfffffe    bl  0 <more_fun>
  10:   e0800004    add r0, r0, r4
  14:   e8bd4010    pop {r4, lr}
  18:   e12fff1e    bx  lr

lr必须被保存用于嵌套调用，r4只是被保存因为调用约定要求在64位边界上保持堆栈对齐，所以这个编译器选择使用了r4，任何寄存器都可以被使用（除了lr、pc或sp）。

现在这里有一个使用帧指针的例子。

00000000 <_fun>:
   0:   1166            mov r5, -(sp)
   2:   1185            mov sp, r5
   4:   1d66 0006       mov 6(r5), -(sp)
   8:   09f7 fff4       jsr pc, 0 <_fun>
   c:   6d40 0004       add 4(r5), r0
  10:   1585            mov (sp)+, r5
  12:   0087            rts pc

在这里，r5是帧指针，在堆栈中传递参数，但我们在mips或上面的arm中没有看到它们，它们有足够的寄存器（需要很多参数才能看到使用堆栈）。r5被推送到堆栈上，然后r5得到了该推送之后堆栈的一个副本，这是设置帧指针的典型方式。由于代码将传入的参数传递给嵌套函数并且该实现使用堆栈进行参数传递，因此该参数被放置在嵌套调用的堆栈上。使用帧指针而不是堆栈指针来寻址。

然后在退出时，它再次使用帧指针添加一个变量（传递给此函数），然后进行清理。基本上，这几乎是一个具有帧指针实现的经典堆栈帧，除了由于我编写的代码没有堆栈帧。如果我使用相同的指令集并且不进行优化，则我们确实会看到帧指针和堆栈帧，有点像...

00000000 <_fun>:
   0:   1166            mov r5, -(sp)
   2:   1185            mov sp, r5
   4:   65c6 fffe       add $-2, sp
   8:   1d66 0006       mov 6(r5), -(sp)
   c:   09f7 fff0       jsr pc, 0 <_fun>
  10:   65c6 0002       add $2, sp
  14:   1d41 0004       mov 4(r5), r1
  18:   6001            add r0, r1
  1a:   1075 fffe       mov r1, -2(r5)
  1e:   1d40 fffe       mov -2(r5), r0
  22:   1146            mov r5, sp
  24:   1585            mov (sp)+, r5
  26:   0087            rts pc

所以你在MIPS中不需要帧指针，但如果你要使用，则需要做正常的事情。您首先将该寄存器推送到堆栈上以保留它（不想为函数调用破坏帧指针）。然后根据需要调整堆栈指针以创建堆栈帧。然后，您不是使用堆栈指针访问堆栈帧中的内容，而是使用帧指针。在函数结束时，您将堆栈指针调整回未分配堆栈帧的状态，然后弹出帧指针并返回。

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当第一个函数调用另一个函数时，$sp和$fp会发生什么？我在$fp和$sp中必须做什么？ - lemar hadad