开源鸿蒙内核源码分析系列 | 寄存器 | 世界被它们玩出了花

开源鸿蒙内核源码分析系列 | 寄存器 | 世界被它们玩出了花

寄存器的本质

寄存器从大一的计算机组成原理就开始听到它，感觉很神秘，如梦如雾多年。揭开本质后才发现，寄存器就是一个32位的存储空间，一个int变量而已(其背后的硬件原理是D触发器)，但它的厉害之处在于极高频率的使用，让人不敢相信是怎么做到的，不管再复杂再牛牛的应用程序，电商也好，游戏，直播也罢，到了它这里都变成了有限的十几个寄存器在玩，简直太神奇了。 本篇将清楚说明寄存器的数量和功能，至于它是如何把复杂的上层程序变成了这十几个寄存器来玩？这是编译器的事情，不在讨论范围之内。

在 32 位的 ARM 架构中，核心寄存器（core register）的数量一般有 37 个或者更多，视处理器实现的功能多少而定。所谓核心寄存器就是指 ARM 处理器内核执行常规指令时使用的寄存器，不包括用于浮点计算和 SIMD 技术的特殊寄存器，也可以理解为是 ARM 的核心处理器单元（PE）中的寄存器，不包括外围的协处理器中的寄存器。

ARM7的37个寄存器，具体看图说明：

这些寄存器不能同时显示，处理器指令状态和工作模式指定哪些寄存器可供使用，图中一一对应。

其中31个通用32位寄存器，系统和用户模式全程复用寄存器，而其余5中异常(或叫特权)模式从R8_* ~ R14_* 的寄存器叫模式专属寄存器。这种特征的寄存器有个专门的称呼，叫 Banked register.Bank 本意是银行和存款的意思，在这里的意思是”有备份的”。

注意 r8 和 r8_fiq是两个不同的寄存器，名字前缀是为了好记，管理方便，以示同级概念理解。如此凑成了31个寄存器。

其中r13寄存器用于SP寄存器，始终指向栈顶，因为每种工作模式都有独立的运行栈，所以有独立的寄存器去记住各自的栈顶。

同理r14寄存器用于LR寄存器，用于保存模式切换时的切换位置，也是独立存在，说明模式间回跳时并不需要重新给r14_*赋值，只需在跳出去的时候保存即可。

系统和用户模式共用r13(sp)和r14(lr)寄存器，所以在每个子函数的栈帧中都要保存上一个调用它函数的SP和LR值，自己执行完成后要从栈帧中恢复这两个寄存器的值，否则无法界定回去后从哪里开始，从哪里计算偏移位置。

r15(pc)寄存器是指向代码段的，所有模式复用的原因是它是共用的，一份代码，你运行与不运行，代码段就在哪里，不增不减。

6个状态寄存器，其中CPSR(1个)和SPSR_*(5个)，它们主要用于自运行或发生模式切换后的各种状态保存。

CPSR:程序状态寄存器(current program status register) (当前程序状态寄存器)，在任何处理器模式下被访问。

SPSR:程序状态保存寄存器（saved program status register），每一种处理器模式下都有一个状态寄存器SPSR，SPSR用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。当特定 的异常中断发生时，这个寄存器用于存放当前程序状态寄存器的内容。在异常中断退出时，可以用SPSR来恢复CPSR。

七种工作模式

本篇需结合 << ARM体系架构参考手册(ARMv7-A/R).pdf >> 阅读。

工作模式(Working mode) 也叫操作模式（Operating mode）又叫处理器模式（Processor mode），是 CPU 运行的重要参数，决定着处理器的工作方式，比如如何裁决特权级别和报告异常等。系列篇为方便理解，统一叫工作模式，CPU的工作模式。

正如一个互联网项目的后台管理系统有权限管理一样，CPU工作是否也有权限(模式)？一个成熟的软硬件架构，肯定会有这些设计，只是大部分人不知道，也不需要知道，老百姓就干好老百姓的活就行了，有工作能吃饱饭就知足了，宫的事你管那么多干嘛，你也管不了。

应用程序就只关注应用功能，业务逻辑相关的部分就行了，底层实现对应用层屏蔽的越干净系统设计的就越优良。

但鸿蒙内核源码分析系列篇的定位就是要把整个底层解剖，全部掰开，看看宫里究竟发生了么事。从本篇开始要接触大量的汇编的代码，将开源鸿蒙内核的每段汇编代码一一说明白。如此才能知道最开始的开始发生了什么，最后的最后又发生了什么。

在ARM体系中，CPU工作在以下七种模式中：

  • 用户模式（usr）：该模式是用户程序的工作模式，它运行在操作系统的用户态，它没有权限去操作其它硬件资源，只能执行处理自己的数据，也不能切换到其它模式下，要想访问硬件资源或切换到其它模式只能通过软中断或产生异常。
  • 快速中断模式（fiq）：快速中断模式是相对一般中断模式而言的，用来处理高优先级中断的模式，处理对时间要求比较紧急的中断请求，主要用于高速数据传输及通道处理中。
  • 普通中断模式（irq）：一般中断模式也叫普通中断模式，用于处理一般的中断请求，通常在硬件产生中断信号之后自动进入该模式，该模式可以自由访问系统硬件资源。
  • 管理模式（svc）：操作系统保护模式，CPU上电复位和当应用程序执行 SVC 指令调用系统服务时也会进入此模式，操作系统内核的普通代码通常工作在这个模式下。
  • 终止模式（abt）：当数据或指令预取终止时进入该模式，中止模式用于支持虚拟内存或存储器保护，当用户程序访问非法地址，没有权限读取的内存地址时，会进入该模式，
  • 系统模式（sys）：供操作系统使用的高特权用户模式，与用户模式类似，但具有可以直接切换到其他模式等特权，用户模式与系统模式两者使用相同的寄存器，都没有SPSR（Saved Program Statement Register，已保存程序状态寄存器），但系统模式比用户模式有更高的权限，可以访问所有系统资源。
  • 未定义模式（und）：未定义模式用于支持硬件协处理器的软件仿真，CPU在指令的译码阶段不能识别该指令操作时，会进入未定义模式。

除用户模式外，其余6种工作模式都属于特权模式。

  • 特权模式中除了系统模式以外的其余5种模式称为异常模式。
  • 大多数程序运行于用户模式。
  • 进入特权模式是为了处理中断、异常、或者访问被保护的系统资源。
  • 硬件权限级别：系统模式 > 异常模式 > 用户模式
  • 快中断(fiq)与慢中断(irq)区别：快中断处理时禁止中断

每种模式都有自己独立的入口和独立的运行栈空间。 之前介绍过只要提供了入口函数和运行空间，CPU就可以干活了。入口函数解决了指令来源问题，运行空间解决了指令的运行场地问题。 而且在多核情况下，每个CPU核的每种特权模式都有自己独立的栈空间。注意是特权模式下的栈空间，用户模式的栈空间是由用户(应用)程序提供的。

R0~R7 寄存器

这 8 个寄存器是最普通的，所有模式都可以访问和使用。 尤其是R0是寄存器中的王牌，被称为头号寄存器，通用寄存器中它用的最高频，随便翻段汇编代码都能看到它的影子。开源鸿蒙开机第一跳指令就是 r0 = 0。


reset_vector: //鸿蒙开机代码
    /* clear register TPIDRPRW */
    mov     r0， #0          @r0 = 0
    mcr     p15， 0， r0， c13， c0， 4   @c0，c13 = 0， C13为进程标识符 
    /* do some early cpu setup: i/d cache disable， mmu disabled */ @禁用MMU， i/d缓存
    mrc     p15， 0， r0， c1， c0， 0    @r0 = c1 ，c1寄存器详细解释见第64页
    bic     r0， #(1<<12)       @位清除指令，清除r0的第11位
    bic     r0， #(1<<2 | 1<<0)    @清除第0和2位 ，禁止 MMU和缓存 0位:MMU enable/disable 2位:Cache enable/disable
    mcr     p15， 0， r0， c1， c0， 0   @c1=r0

再看拿自旋锁的汇编代码，这些代码都在系列篇《自旋锁 | 内核界的贞洁烈女》中详细讲解过。


FUNCTION(ArchSpinLock)  @非要拿到锁
  mov   r1， #1    @r1=1
1:            @循环的作用，因SEV是广播事件。不一定lock->rawLock的值已经改变了
  ldrex  r2， [r0]  @r0 = &lock->rawLock， 即 r2 = lock->rawLock
  cmp   r2， #0    @r2和0比较
  wfene        @不相等时，说明资源被占用，CPU核进入睡眠状态
  strexeq r2， r1， [r0]@此时CPU被重新唤醒，尝试令lock->rawLock=1，成功写入则r2=0
  cmpeq  r2， #0    @再来比较r2是否等于0，如果相等则获取到了锁
  bne   1b      @如果不相等，继续进入循环
  dmb         @用DMB指令来隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
  bx    lr      @此时是一定拿到锁了，跳回调用ArchSpinLock函数

R0被潜规则的干了两件事，突出了它的重要性:

  • 第一个参数 由R0保管，当然第二个参数就给R1保管。
  • 函数的返回值统一交给R0保管， 例如 a -> b ，b执行完会把返回值给r0，回到a后，a从r0取值，不管取到什么，它就认为这是b的返回值，默认都只认r0保存了返回值，这就是规定。

具体看一个C函数和它的汇编：


//++++++++++++ square(c -> 汇编)++++++++++++++++++++++++
int square(int a，int b){
    return a*b;
}
square(int， int):
        sub     sp， sp， #8     @sp减去8，意思为给square分配栈空间，只用2个栈空间完成计算
        str     r0， [sp， #4]   @第一个参数入栈
        str     r1， [sp]       @第二个参数入栈
        ldr     r1， [sp， #4]   @取出第一个参数给r1
        ldr     r2， [sp]       @取出第二个参数给r2
        mul     r0， r1， r2     @执行a*b给R0，返回值的工作一直是交给R0的
        add     sp， sp， #8     @函数执行完了，要释放申请的栈空间
        bx      lr             @子程序返回，等同于mov pc，lr，即跳到调用处
//++++++++++++ fp(c -> 汇编)++++++++++++++++++++++++
int fp(int b)
{
    int a = 1;
    return square(a+b，a+b);
}
fp(int):
        push    {r11， lr}      @r11(fp)/lr入栈，保存调用者main的位置
        mov     r11， sp        @r11用于保存sp值，函数栈开始位置 
        sub     sp， sp， #8     @sp减去8，意思为给fp分配栈空间，只用2个栈空间完成计算
        str     r0， [sp， #4]   @先保存参数值，放在SP+4，此时r0中存放的是参数
        mov     r0， #1         @r0=1
        str     r0， [sp]       @再把1也保存在SP的位置
        ldr     r0， [sp]       @把SP的值给R0
        ldr     r1， [sp， #4]   @把SP+4的值给R1
        add     r1， r0， r1     @执行r1=a+b
        mov     r0， r1         @r0=r1，用r0，r1传参
        bl      square(int， int)@先mov lr， pc 再mov pc square(int， int)   
        mov     sp， r11        @函数执行完了，要释放申请的栈空间 
        pop     {r11， lr}      @弹出r11和lr，lr是专用标签，弹出就自动复制给lr寄存器
        bx      lr             @子程序返回，等同于mov pc，lr，即跳到调用处

这段代码同样适用于理解以下的各个寄存器。R0的作用相当于 x86 的 EAX。

R7 寄存器

为啥要单独讲R7寄存器，因为它偶尔作为特殊寄存器在使用。内核对上层应用提供了数百个系统调用功能，当发生系统调用时，在CPU工作模式切换过程中，系统调用号是一直保存在R7寄存器中的，通过系统调用号就能查询到对应的注册函数。具体在 系统调用篇中有详细的过程说明，这里只列出部分代码：


//4个参数的系统调用时底层处理
static inline long __syscall4(long n， long a， long b， long c， long d)
{
  register long a7 __asm__("a7") = n; //将系统调用号保存在R7寄存器
  register long a0 __asm__("a0") = a; //R0
  register long a1 __asm__("a1") = b; //R1
  register long a2 __asm__("a2") = c; //R2
  register long a3 __asm__("a3") = d; //R3
  __asm_syscall("r"(a7)， "0"(a0)， "r"(a1)， "r"(a2)， "r"(a3))
}
//切换到SVC模式后，由汇编代码调用由C语言实现的系统调用统一入口
LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs)
{
    UINT32 ret;
    UINT8 nArgs;
    UINTPTR handle;
    UINT32 cmd = regs[REG_R7];// 从R7寄存器中取出系统调用号
    handle = g_syscallHandle[cmd];//查询系统调用的注册函数 
    //...
}

fp(R11) 寄存器

R11：可以用作通用寄存器，在开启特定编译选项时可以用作帧指针寄存器FP，用来实现栈回溯功能。 GNU编译器（gcc）默认将R11作为存储变量的通用寄存器，因而默认情况下无法使用FP的栈回溯功能。为支持调用栈解析功能，需要在编译参数中添加 -fno-omit-frame-pointer 选项，提示编译器将R11作为FP使用。

FP寄存器（Frame Point），帧指针寄存器，指向当前函数的父函数的栈帧起始地址。利用该寄存器可以得到父函数的栈帧，从栈帧中获取父函数的FP，就可以得到祖父函数的栈帧，以此类推，可以追溯程序调用栈，得到函数间的调用关系。

在开源鸿蒙内核R11是当FP寄存器使用。

SP(R13) 寄存器

SP:栈指针寄存器(stack pointer)，它也是 banked register，而且所有模式都有一份，总共有 6 个（有虚拟化支持时再多一个），分别用于用户、IRQ、FIQ、 未定义、中止和管理员模式。在 ARM 手册，有时用 SP_usr、SP_svc 这样的写法来表示不同模式下的 SP 寄存器。

SP指向函数栈的栈顶，如此 fp 和 sp 就划定了函数栈的范围，函数在运行期间除了动态申请的内存要跑出去玩，其余就在这块空间里玩。

在开源鸿蒙内核R13是当SP寄存器使用。

LR(R14) 寄存器

又叫 Link Register，简称 LR，在主动调用子函数时，ARM 处理器会自动将子函数的返回地址放到这个寄存器中。 另外在异常发生的被动阶段，会导致程序正常运行的被打断， 并将控制流转移到相应的异常处理（异常响应），有些异常（fiq、irq）事件处理后，系统还希望能回 到当初异常发生时被打断的源程序断点处继续完成源程序的执行（异常返回），这就需要一种解决方案， 用于记录源程序的断点位置，以便正确的异常返回。 类似的还有子程序的调用和 返回。在主程序中（通过子程序调用指令）调用子程序时，也需要记录下主程序中的调用点位置，以便将来的子程序的返回。

LR:链接寄存器(linked pointer)，就是用来解决上述问题的，ARM处理器中使用 R14实现对断点和调用点的记录，即R14用作返回连接寄存器（LR），确保回来知道自己从哪个位置中断，以便继续执行。

在开源鸿蒙内核R14是当LR寄存器使用。

PC(R15) 寄存器

简称 PC（Program Counter）。当执行 ARM 指令（每条指令 4 字节），它的值为当前指令的地址加 8，当执行 Thumb 指令时，它的值为当前指令的地址加 4，其设计原则是让 PC 指向当前指令后面的第二条指令。

PC寄存器涉及到arm的流水线结构设计，具体在后续流水线篇中详细说明，敬请关注。

在开源鸿蒙内核R15是当PC寄存器使用。

CPSR(current program status register)当前程序的状态寄存器 CPSR有4个8位区域：标志域（F）、状态域（S）、扩展域（X）、控制域（C） 32 位的程序状态寄存器可分为4 个域：

  • 位[31：24]为条件标志位域，用f 表示；
  • 位[23：16]为状态位域，用s 表示；
  • 位[15：8]为扩展位域，用x 表示；
  • 位[7：0]为控制位域，用c 表示；

CPSR和其他寄存器不一样，其他寄存器是用来存放数据的，都是整个寄存器具有一个含义。 而CPSR寄存器是按位起作用的，也就是说，它的每一位都有专门的含义，记录特定的信息。

CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，程序无法修改， 除非CPU运行于特权模式下，程序才能修改控制位

N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行!意义重大!

  • CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后，其结果是否为负。 如果为负 N = 1，如果是非负数 N = 0。
  • CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后，其结果是否为0。 如果结果为0。那么Z = 1。如果结果不为0，那么Z = 0。
  • CPSR的第29位是C，进位标志位(Carry)。一般情况下，进行无符号数的运算。 加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。 减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。
  • CPSR的第28位是V，溢出标志位(Overflow)。在进行有符号数运算的时候， 如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。

MSR{条件} 程序状态寄存器(CPSR 或SPSR)_<域>，操作数 MSR 指令用于将操作数的内容传送到程序状态寄存器的特定域中 示例如下：


  MSR CPSR，R0   @传送R0 的内容到CPSR
  MSR SPSR，R0   @传送R0 的内容到SPSR
  MSR CPSR_c，R0 @传送R0 的内容到CPSR，但仅仅修改CPSR中的控制位域

MRS{条件} 通用寄存器，程序状态寄存器(CPSR 或SPSR) MRS 指令用于将程序状态寄存器的内容传送到通用寄存器中。该指令一般用在以下两种情况： 1) 当需要改变程序状态寄存器的内容时，可用MRS 将程序状态寄存器的内容读入通用寄存器，修改后再写回程序状态寄存器。 2) 当在异常处理或进程切换时，需要保存程序状态寄存器的值，可先用该指令读出程序状态寄存器的值，然后保存。 示例如下：


MRS R0，CPSR   @传送CPSR 的内容到R0
MRS R0，SPSR   @传送SPSR 的内容到R0
               @MRS指令是唯一可以直接读取CPSR和SPSR寄存器的指令

SPSR 寄存器

SPSR（saved program status register）程序状态保存寄存器。五种异常模式下一个状态寄存器SPSR，用于保存CPSR的状态，以便异常返回后恢复异常发生时的工作状态。

1、SPSR 为 CPSR 中断时刻的副本，退出中断后，将SPSR中数据恢复到CPSR中。

2、用户模式和系统模式下SPSR不可用，所以SPSR寄存器只有5个

留个问题

从R11 ~ R15 寄存器除了R12都用着专用寄存器，用作为特殊用途，单独独R12夹在中间不上不下的，这又是为什么呢？

百文说内核 | 抓住主脉络

子曰：“诗三百，一言以蔽之，曰‘思无邪’。”——《论语》：为政篇。百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在开源鸿蒙内核源码加注释过程中，每每有心得处就整理，慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下：

根据上图的思维导图，我们未来将要和大家一一分享以上大部分关键技术点的博客文章。

百万汉字注解.精读内核源码

如果大家觉得看文章不过瘾，想直接撸代码的话，可以去下面四大码仓围观同步注释内核源码：

gitee仓：

https://gitee.com/weharmony/kernel_liteos_a_note

github仓 ：

https://github.com/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

codechina仓：

https://codechina.csdn.net/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

coding仓：

https://weharmony.coding.net/public/harmony/kernel_liteos_a_note/git/files

写在最后

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