79、【OS】【Nuttx】【启动】caller-saved 和 callee-saved 示例：r7 寄存器
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背景
接之前 blog
【OS】【Nuttx】【启动】caller-saved 和 callee-saved 示例：栈指针和帧指针（上）
【OS】【Nuttx】【启动】caller-saved 和 callee-saved 示例：栈指针和帧指针（下）
分析了栈指针和帧指针的一些概念，并演示了栈帧的操作，在 blog 最后留了个疑问，AAPCS32 文档里写了 r11 作为帧指针寄存器，怎么代码里却用的是 r7？下面来补充解释下这里面栈帧的一些细节
帧指针的选择
之前分析到 AAPCS 这里，可以看到 r11 为帧指针寄存器
而不是在汇编文件里面看到的 r7 作为帧指针寄存器
其实有两个细节：
- 文档里面有描述，r11 可以被用作一个帧指针，首先是英文里 may 的表达，这里用了 may 而不是 must，may 表示可能性或可以，语气委婉，而 must 强调必要性或确定性，语气更加强烈，从单词的使用用法来说，通常情况下，r11 是推荐使用作为帧指针的，而不是强制要求使用
- 其次，我们翻阅的这篇文档是 AAPCS32，意味着它是基于 arm32 位指令集的，而stm32f429i 系列是基于 Arm Cortex-m4 核，是基于 thumb 指令集的
arm32 和 thumb 是 arm 架构中两种不同的指令集状态，在帧指针这块的使用上，有所区别，那么有没有 AAPCS_Thumb 的专门文档呢？没有，AAPCS 在架构上只区分 32 位和 64 位，thumb（这里一般指 thumb2，16 位和 32 位指令混合使用）可以用 AAPCS32 规范来 cover 住
gcc 源码注释
关于帧指针的选择，在 gcc 源码中可以找到蛛丝马迹，gcc 源码链接如下
https://github.com/gcc-mirror/gcc
在 arm.cc 文件中，有这么一段注释
-
这里划红线的说明，在 thumb 模式下，如果需要帧指针，则使用 r7 寄存器
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而 r11 是 32 位 arm 模式下的传统帧指针寄存器
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这里有两个概念，hard frame pointer 和 soft frame pointer
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hard frame pointer 是一种传统意义上的帧指针，是一个特定的寄存器，比如 arm32 中的 r11，在调用约定里面明确规定了
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soft frame pointer 是一种更加灵活的帧指针实现方式，在需要时启用，不像 hard frame pointer 那样固定为某个寄存器，而是根据编译器的优化策略决定使用哪个寄存器，比如 gcc 上选择的是 r7
为什么是 r7？
了解到 thumb 模式和 arm32 模式之后，再回到这个问题，为什么 thumb 选择了 r7，为什么 thumb 不能和 arm32 一样，选择 r11？
回答这个问题，再看下 Arm Cortex-M4 Processor Technical Reference Manual 这张图
- 首先，R0-R7 寄存器可以接受所有指令，包括 16 位和 32 位的指令集，而 R8-R12 能接受 32 位指令，但只能接受部分 16 位指令集
- 而 thumb 指令集是一个 16位 宽的指令集，相比 32 位宽的 ARM 指令集，在操作范围和灵活性上有所限制，对高寄存器（R8-R15）的操作受到更多限制，不能像处理低寄存器（R0-R7）那样直接访问
- 所以 R8-R15 被排除，选择一个低寄存器（R0-R7）作为帧指针更符合 thumb 指令集的设计初衷
- 而在 R0-R7 中，R0-R3 是 caller-saved，被排除
- 而在 R4-R7 中，R4-R6 在实际编程实践中，更经常被用来存储局部变量或临时值，相比之下，R7 的使用频率较低，便顺理成章的成为了 soft frame pointer 的首选
-marm
最后，在 bash 终端输入如下命令
arm-none-eabi-gcc -S -marm main.c -o main.s
可以看到在 32 位指令集下，帧指针为默认的 fp（r11）寄存器
今天先到这儿，下篇 blog 继续