| 第二章 两类武器 【保持队形的废话】 初学者可能会困惑： ·局部变量分配在哪？接下来，我们对程序进行编译，得到以下反汇编代码： ·全局变量又是分配在哪？
·它们与栈、CPU寄存器有什么关系？ · 局部变量软件的一切神秘的运行机制全在反汇编代码里。（网上的一句话，写的中肯，挪来用下） 不错，C代码华丽的外表下，其“内在”是什么，如果不清楚，那么真相就不甚明了。 所以，本节，我们要做的就是揭开C语言的面纱，看下它的反汇编。下面我们做两个实验，并以此进行研究。 【实验一】 『实验内容』 这里给出一个简单的函数testX()： 接下来，我们对程序进行编译，得到以下反汇编代码： 再接下来，我们按代码的执行顺序，观察反汇编代码，并分析局部变量如何分配，赋值。 ----------------------------------------------------- 入栈r1-r3及lr，因为本程序将改变r1-r3及lr的值。 说明：r0的值在本程序中也被改变，但外部没有使用，所以，不需要入栈 ----------------------------------------------------- 将r2赋值为3，并将它的值传给栈顶指向的地址（a[0]的存储地址分配为“栈顶地址”） 将r2赋值为5，并将它的值传给栈顶+0x08指向的地址（a[2]的存储地址分配为“栈顶地址+0x08”） 将r2赋值为4，并将它的值传给栈顶+0x04指向的地址（a[1]的存储地址分配为“栈顶地址+0x04”） 说明： ·本文使用的编译器，每个int占4个字节，两个int则为0x08字节 ·根据汇编指令STR的功能，STRr2,[sp, #0x00]是将sp+0x00地址中的值传给r2，但不改变sp的值 ----------------------------------------------------- 将栈顶地址中的值（即a[0]的值）传给r2，并判断它是否为3 ·如果不是：跳到0x0800325A处（if(a[1]==4)语句的地址） ·如果是：将r2赋值为6，并将它的值传给栈顶地址（即传给a[0]） 将r1赋值为4（即传给b）；将r0赋值为5（即传给c） ----------------------------------------------------- 将地址“栈顶+0x04”中的值（即a[1]的值）传给r2，并判断它是否为4 ·如果不是：跳到0x08003264处（if(a[2]==4)语句的地址） ·如果是：将r2赋值为7，并将它的值传给地址“栈顶+0x04”（即传给a[1]） ----------------------------------------------------- 将地址“栈顶+0x08”中的值（即a[2]的值）传给r2，并判断它是否为4 ·如果不是：跳到0x0800326E处（“}”语句的地址） ·如果是：将r2赋值为11，并将它的值传给地址“栈顶+0x08”（即传给a[2]）； 将r0赋值为5（即传给c）； 判断结束后，出栈r1-r3及lr（lr需要放到pc里，故，代码为POP {r1-r3,pc}） 『实验现象』 我们在μVisions中查看memory、core，观察到的现象是： ·执行“函数开始符‘｛’”到“定义变量”这部分代码： 入栈：r1-r3、lr，SP值减小。（STM32是递减堆栈，当PUSH时，SP值减小） RAM、SP的情况如下： 0x20002224（r1的值）← SP（PUSH后） 0x20002228（r2的值） 0x2000222C（r3的值） 0x20002230（lr的值） 0x20002234（？？？）← SP（PUSH前） ·执行“定义变量”后到“函数退出符‘｝’”前这部分代码： SP值不变。数组a存到了SP及SP之后的地址。 RAM、SP的情况如下： 0x20002224（a[0]的值）← SP 0x20002228（a[1]的值） 0x2000222C（a[2]的值） 0x20002230（lr的值） 0x20002234（？？？） ·执行函数退出符‘｝’代码： 出栈，并存放到：r1-r3、pc，SP值增大。（STM32是递减堆栈，当POP时，SP值增大） RAM、SP的情况如下： 0x20002224（a[0]的值）→（存到r1） 0x20002228（a[1]的值）→（存到r2） 0x2000222C（a[2]的值）→（存到r3） 0x20002230（lr的值） →（存到pc） 0x20002234（？？？） ← SP 『潜在问题』 读者将发现，原r1-r3并不能被成功恢复，因为它们的值被a[0]、a[1]、a[2]覆盖了。 确实是这样，笔者遇到这样的问题，也汗了一把。 但，笔者很快就为编译器的圆场，猜想：“是否被覆盖了也不会导致程序出现问题？” 带着这个疑问查看了程序，发现，主程序调用testX()函数后，并没有再使用r1-r3，因而，不会出现问题。 所以，编译器还是蛮聪明的，知道没有再使用r1-r3，则肆无忌惮的覆盖它们。 当然，这种聪明有点水分，既然这样，当初何必对r1-r3压栈，直接不压它们不就得了。 前面，我们提到了“覆盖”。“覆盖”这种东西，难免让人不安： 如果，加大数组a的长度，定义为a[5]，会是怎样？该不会连lr(pc)也覆盖了吧，那就完了！ 带着这个疑问，我们将进行“实验二”。 【实验二】 『实验内容』 为了一探究竟，笔者将数组a，加大数组长度，定义长度为5，并进行其它少量改动，改动后的程序如下： 接下来，我们对程序进行编译，得到以下反汇编代码：
由于实验一已进行了详细的分析，所以，这里，我们只给出相应的反汇编代码，而不再进行分析。 『实验现象』 我们在μVisions中查看memory、core，观察到的现象是： ·执行“函数开始符‘｛’”到“定义变量”这部分代码： 入栈：r4-r5、lr，为数组a[5]腾出空间：SUB sp,sp,#0x14，SP值减小。 RAM、SP的情况如下： 0x20002210（？？？）← SP（执行SUB sp,sp,#0x14后） 0x20002214（？？？） 0x20002218（？？？） 0x2000221C（？？？） 0x20002220（？？？） 0x20002224（r4的值）← SP（执行PUSH {r4-r5,lr}后） 0x20002228（r5的值） 0x2000222C（lr的值） 0x20002230（？？？）← SP（执行PUSH {r4-r5,lr}前） ·执行“定义变量”后到“函数退出符‘｝’”前这部分代码： SP值不变。数组a存到了SP及SP之后的地址。 RAM、SP的情况如下： 0x20002210（a[0]的值）← SP 0x20002214（a[1]的值） 0x20002218（a[2]的值） 0x2000221C（a[3]的值） 0x20002220（a[4]的值） 0x20002224（r4的值） 0x20002228（r5的值） 0x2000222C（lr的值） 0x20002230（？？？） ·执行函数退出符‘｝’代码： 出栈，并存放到：r4-r5、pc，SP值增大。 RAM、SP的情况如下： 0x20002210（a[0]的值）← SP（执行ADD sp,sp,#0x14前） 0x20002214（a[1]的值） 0x20002218（a[2]的值） 0x2000221C（a[3]的值） 0x20002220（a[4]的值） 0x20002224（r4的值）← SP（执行ADD sp,sp,#0x14后） →（存到r4） 0x20002228（r5的值） →（存到r5） 0x2000222C（lr的值） →（存到pc） 0x20002230（？？？）← SP（执行POP {r4-r5,lr}后） 『实验一之潜在问题续』 实验一，我们提到了“覆盖”问题，之后，基于此问题，展开了实验二。 现在，我们来回顾下，“覆盖”问题最终如何解决。 由于，代码SUB sp,sp,#0x14的作用，局部变量分配的地址不与使用过的地址重叠，所以，避免了“覆盖”。 同时，由于，代码ADD sp,sp,#0x14的作用，SP的值也恢复到调用函数前的值。 调用一个函数如此，调用N个函数当然也如此。（如果按此方法，调用函数退出后，总能得到正确的SP。） 【总结】 『局部变量与“CPU寄存器、栈”之间的关系』 ·当局部变量不多的时候，将它们分配到CPU寄存器中，这样，读写速度是最快的。 这是μVisions编译器编译STM32程序的规则，并不表示所有的编译器都这么做。 ·当局部变量较多的时候（笔者有另外经过测试）或局部变量为数组，“习惯”的将它们分配到RAM中。 这种情况，编译器并不会跳过任何RAM，而是“紧挨着”原SP值的地址分配局部变量。 并不是只有μVisions编译器这样处理，作为一个“正常”的C编译器就必须这样。 其实，变量怎么分配，C程序员不必Care，这活由编译器去干①。但由于我们要研究操作系统，才需要清楚。 由前面的分析，我们知道：局部变量可能存放在CPU寄存器Rn中，也可能存放在与SP相关的RAM中（栈）。 这是个非常重要的特点，后续，我们分析MCU需要做什么操作，就要根据这一特点。 『编译器需要怎么做，才能让程序正常运行』 ·执行“函数开始符‘｛’”到“定义变量”这部分代码： ·入栈相应CPU寄存器（如果变量分配在CPU寄存器中，且退出函数后，相应CPU寄存器需要被使用） ·入栈LR（这个不是必须的，笔者经过测试，某些情况，不入栈LR，而之后通过BX LR跳转） ·减小SP的值（如果变量分配到栈中，且栈中数据不可被覆盖） ·执行“定义变量”后到“函数退出符‘｝’”前这部分代码： ·堆栈不变，SP值不变。分配局部变量可能会借助SP，但并不会改变SP。 ·执行执行函数退出符‘｝’代码： ·增大SP的值（如果之前有改变过），使得SP值恢复到进入函数后的值。 ·出栈LR（这个不是必须的，见前面说明） ·出栈相应CPU寄存器（如果之前有入栈），使得SP值恢复到进入函数前的值。 总结就到这，后续章节，我们将研究任务切换原理，就需要“学习”这的“MCU需要做什么”。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ① 聪明的编译器分配的好点，愚蠢的编译器分配的傻叉点，有BUG的编译器乱分配，以至于程序出错罢了。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- · 全局变量编译时，编译器将会为全局变量分配固定的RAM地址，而不会像局部变量那样，临时分配在CPU寄存器或堆栈中。因为，在程序运行的过程，全局变量不能因为退出了某个函数就“失效”，不能被“消灭”。 对于STM32，全局变量分配在哪，可以查看编译后生成的后缀为map的文件（打开文件后，Ctrl+F，可搜索变量）
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