程序是如何在 CPU 中运行的（二）

wenzid

发布于 2021-03-04 15:39:19

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发布于 2021-03-04 15:39:19

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笔者能力有限，如果文中出现错误的地方，还请各位朋友能够给我指出来，我将不胜感激，谢谢~

前言

在上一篇文章中《程序是如何在 CPU 中运行的(一)》笔者讲述了程序中一条一条指令以及一条一条数据是如何在 CPU 中运行的，在本文笔者将以 ARM Cortex M3 的内核为背景分析指令是如何有序的执行。

寄存器组介绍

为了更好地介绍指令是如何在 ARM Cortex M3 内核中运行的，在这里先介绍一下 ARM Cortex M3 的寄存器组，引用 ARM Cortex M3 权威指南的一张图，图片如下：

寄存器组

如上图所示，寄存器组主要包含四种类型的寄存器，分别是：

通用寄存器：用于数据操作
堆栈指针：堆栈指针有两个，但是在任一时刻只能使用其中的一个。
- 主堆栈指针：复位后默认使用的堆栈指针，用于操作系统内核及异常处理程序
- 进程堆栈指针：由用户的应用程序代码使用。
连接寄存器：当呼叫一个子程序时，由 R14 存储返回地址。
程序计数器：用于存储下一条即将运行的指令的地址。

寄存器组介绍完之后，我们来看具体的实例。

顺序执行

首先看一个顺序执行的例子，代码如下，C 语言下面对应的是汇编代码,汇编代码冒号前的是当前指令对应的地址。

int main(void)
{
    int a = 123;
    0x0800021E : MOVS r1,#0x7B
    int b = 456;
    0x08000220 : MOV r2,#0x1CB
    int result = a + b;
    0x08000224 : ADDS r3,r1,r2
    return 0;
    0x08000226 : MOVS r0,#0x00
}

上述代码的汇编语言涉及到的寄存器都是通用寄存器，通过 C 语言代码我们也可以知道对应的汇编代码的意思，这也印证了前面所说的通用寄存器的功能就是用于数据操作的。那上述程序是如何运行的呢，这时之前说到的程序计数器，也就是我们所说的 PC 指针就要派上用场了，如下图片展示了程序计数器在上述指令运行过程中的一个变化。

顺序执行

通过上图可以看出，左边是即将执行的指令，中间是指令存储的位置，那么 PC 存储的值一直是即将执行的下一条指令的地址，这样程序也就可以顺序的执行下去了。

条件分支

条件分支是根据条件执行任意地址的指令，也就是说程序不是向上述一样顺序执行了，那 CPU 又如何处理这种情况呢？我们来看一个简单 if 语句例子：

int main(void)
{
    int a = 123;
    0x0800021E : MOVS r1,#0x7B
    int b = 456;
    0x08000220 : MOV r2,#0x1CB
    int result = a - b;
    0x08000224 : SUBS r1,r2,r3
    if (result > 0)
    0x08000226 : CMP r1,#0x00
    0x08000228 : BLE 0x0800022E
        result = result + 1;
    0x0800022A : ADDS r1,r1,#1
    else
        result = 1 - result; 
    0x0800022E : RSB r1,r1,#0x01
    return 0;
    0x08000232 : MOVS r0,#0x00
}

上述的汇编与 C 语言一一对应，很容易知道每条指令的意思，在这里笔者单独拿出来两个与语句跳转相关的指令说一下：

CMP ：比较（比较两数并且更新标志）
BLE ：当比较结果小于或者等于的时候，跳转到某个指令的地址执行

现在来看汇编代码，比较关键的地方就是使用 CMP 判断，判断结果小于 0 ，所以跳转到 0x0800022E 地址对应的指令进行执行，也就是执行 result = 1 - result; 同样的，我们也用示意图的形式表示一下在这个过程 PC 值的变化。

条件分支

如上图所示，由于使用了条件分支，程序在执行到地址为 0x08000228 的时候，下一条要执行的指令地址并不是 0x0800022A,而是直接跳转到地址为 0x0800022E 的指令进行执行，那 PC 值的变化也就是图中左侧所示，因为没有没有执行一条指令，所以 PC 的变化次数也就比总的指令数少一条。

函数调用

函数调用和使用条件分支有所不同，因为单纯的跳转指令无法实现函数的调用。函数调用需要在完成函数内部的处理之后，处理流程再返回到函数调用点，也就是返回到函数调用指令的下一条指令，因此针对于函数调用来讲，涉及到函数返回地址的处理。

一级函数调用

涉及到函数调用我们都有一个概念，就是说函数调用时会把函数返回地址进行压栈，也就是说把返回地址存入到堆栈里，函数返回时再从堆栈里取出返回地址，但是对于 ARM Cortex M3 的处理器来讲，再处理一级函数调用时，它并没有将函数返回地址进行压栈，而是将子程序的返回地址存放在 R14 连接寄存器里，函数返回时再从这个寄存器里取出返回值就可以了。这也印证了前文所说的这个寄存器是用于存储子程序的返回地址的，下面用一个简单的例子来说明这个问题：

int MyFunc(int a,int b)
{
    int temp;
    0x0800019A  MOV r2,r0
    temp = a + b;
    return temp;
    0x0800019C ADDS r0,r2,r1
    0x0800019E BX       lr
 }
int main(void)
{
    int a = 123;
    0x08000224  MOVS     r4,#0x7B 
    int b = 456;
    0x08000226  MOV      r5,#0x1C8
    int result = a - b;
    0x0800022A  SUBS     r6,r4,r5
    result = MyFunc(a,b);
    0x0800022C  MOV      r1,r5
    0x0800022E  MOV      r0,r4
    0x08000230  BL.W     MyFunc (0x0800019A)
    0x08000234  MOV      r6,r0
    return 0;
    0x08000236  MOVS     r0,#0x00    
}

同样的，我们给出一级函数调用的示意图：

一级函数调用示意图

通过上述的汇编代码也可以看到虽然有了函数调用，但是在这里并没有进行压栈操作，整个程序的执行流程也如图中序号所示，在执行到函数调用的语句时，就执行 BL.W 指令跳转到函数的入口地址，子函数执行完之后，再返回至函数调用指令的下一条指令的地址，继续执行主函数没有执行完的内容，相应的 PC 指针寄存器的值也在发生变化。

二级函数调用

二级函数调用和多级函数调用的原理是一样的，但是不同于一级函数调用，在进行二级函数调用时，会涉及到两个子函数的返回地址，但是只有一个 R14（LR）寄存器，只能存储一个返回地址，那要怎么办呢？这个时候，就要使用到堆栈的机制，堆栈的特性是先入后出，在函数嵌套调用过程中，先调用的函数的返回地址要在后返回，而后调用的函数返回地址要在先返回，所以堆栈刚好能够处理这样的事情。同样，我们来看一个二级函数调用的例子：

int MyFunc2(int a)
{
    int temp;
    0x080001AC MOV      r1,r0
    temp = a + 1;
    return temp;
    0x080001AE ADDS     r0,r1,#1
    0x080001B0 BX       lr
}

int MyFunc(int a,int b)
{
    int temp;
    0x0800019A PUSH     {r4-r5,lr}
    0x0800019C MOV      r4,r0
    0x0800019E MOV      r5,r1
    temp = MyFunc2(temp);
    0x080001A0 MOV      r0,r3
    0x080001A2 BL.W     MyFunc2 (0x080001AC)
    0x080001A6 MOV      r3,r0
    return temp;
    0x080001A8 MOV      r0,r3
    0x080001AA POP      {r4-r5,pc}
}

int main(void)
{
    int a = 123;
    0x08000238 MOVS     r4,#0x7B
    int b = 456;
    0x0800023A MOV      r5,#0x1C8
    int result = a - b;
    0x0800023E SUBS     r6,r4,r5
    result = MyFunc(a,b);
    0x08000240 MOV      r1,r5
    0x08000242 MOV      r0,r4
    0x08000244 BL.W     MyFunc (0x0800019A)
    0x08000248 MOV      r6,r0
    return 0;
    0x0800024A MOVS     r0,#0x00
}

二级函数调用比一级函数调用要略复杂一些了，同样的，我们给出二级函数调用的示意图：

二级函数调用示意图

由于指令数有点多，通过省略号来替代一些与函数调用无关的指令。通过图片我们也可以更清楚地看到函数的调用过程以及 PC 值的变化，PC 值的变化是一直跟随着箭头的走向的。在这小节的开头，笔者也说到涉及到二级函数调用时，需要使用堆栈，现在看到汇编代码，也的确是这样，当程序进入到 MyFunc 的第一时间，就是将 LR 寄存器的值压入堆栈，因为 MyFunc2 是最后一层函数调用，因此 MyFunc2 函数调用的返回地址不需要进行压栈，直接使用 LR 寄存器的值进行返回就好，我们再看，当 MyFunc2 返回后，MyFunc 也要返回，这时候，需要出栈，即将刚刚压入堆栈的 LR 寄存器的值赋值给 PC 指针寄存器，PC 指针寄存器永远存放的是即将指令的下一条指令的地址，MyFunc 返回主函数后执行剩余的内容。

总结

上述就是涉及到的顺序执行，条件分支，和函数调用的相关内容。可以看到无论是哪一种形式，其实本质就是 PC 值的变化，PC 值永远存储的是即将运行的下一条指令的地址，控制这个值就能够控制程序的走向。另外需要注意的一点是，对于 ARM Cortex M3 系列的内核来说，涉及到一级函数调用的时候，不需要进行压栈操作，涉及到多级函数调用的时候，才会使用到堆栈。

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