筆者能力有限，如果文中出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，還請(qǐng)各位朋友能夠給我指出來(lái)，我將不勝感激，謝謝~

前言

在上一篇文章中《程序是如何在 CPU 中運(yùn)行的(一)》筆者講述了程序中一條一條指令以及一條一條數(shù)據(jù)是如何在 CPU 中運(yùn)行的，在本文筆者將以 ARM Cortex M3 的內(nèi)核為背景分析指令是如何有序的執(zhí)行。

寄存器組介紹

為了更好地介紹指令是如何在 ARM Cortex M3 內(nèi)核中運(yùn)行的，在這里先介紹一下 ARM Cortex M3 的寄存器組，引用 ARM Cortex M3 權(quán)威指南的一張圖，圖片如下：

如上圖所示，寄存器組主要包含四種類型的寄存器，分別是：

• 通用寄存器：用于數(shù)據(jù)操作

• 堆棧指針：堆棧指針有兩個(gè)，但是在任一時(shí)刻只能使用其中的一個(gè)。

• 主堆棧指針：復(fù)位后默認(rèn)使用的堆棧指針，用于操作系統(tǒng)內(nèi)核及異常處理程序

• 進(jìn)程堆棧指針：由用戶的應(yīng)用程序代碼使用。

• 連接寄存器：當(dāng)呼叫一個(gè)子程序時(shí)，由 R14 存儲(chǔ)返回地址。

• 程序計(jì)數(shù)器：用于存儲(chǔ)下一條即將運(yùn)行的指令的地址。

寄存器組介紹完之后，我們來(lái)看具體的實(shí)例。

順序執(zhí)行

首先看一個(gè)順序執(zhí)行的例子，代碼如下，C 語(yǔ)言下面對(duì)應(yīng)的是匯編代碼,匯編代碼冒號(hào)前的是當(dāng)前指令對(duì)應(yīng)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
}

上述代碼的匯編語(yǔ)言涉及到的寄存器都是通用寄存器，通過(guò) C 語(yǔ)言代碼我們也可以知道對(duì)應(yīng)的匯編代碼的意思，這也印證了前面所說(shuō)的通用寄存器的功能就是用于數(shù)據(jù)操作的。
那上述程序是如何運(yùn)行的呢，這時(shí)之前說(shuō)到的程序計(jì)數(shù)器，也就是我們所說(shuō)的 PC 指針就要派上用場(chǎng)了，如下圖片展示了程序計(jì)數(shù)器在上述指令運(yùn)行過(guò)程中的一個(gè)變化。

通過(guò)上圖可以看出，左邊是即將執(zhí)行的指令，中間是指令存儲(chǔ)的位置，那么 PC 存儲(chǔ)的值一直是即將執(zhí)行的下一條指令的地址，這樣程序也就可以順序的執(zhí)行下去了。

條件分支

條件分支是根據(jù)條件執(zhí)行任意地址的指令，也就是說(shuō)程序不是向上述一樣順序執(zhí)行了，那 CPU 又如何處理這種情況呢？我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單 if 語(yǔ)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
}

上述的匯編與 C 語(yǔ)言一一對(duì)應(yīng)，很容易知道每條指令的意思，在這里筆者單獨(dú)拿出來(lái)兩個(gè)與語(yǔ)句跳轉(zhuǎn)相關(guān)的指令說(shuō)一下：

• CMP ：比較（比較兩數(shù)并且更新標(biāo)志）

• BLE ：當(dāng)比較結(jié)果小于或者等于的時(shí)候，跳轉(zhuǎn)到某個(gè)指令的地址執(zhí)行

現(xiàn)在來(lái)看匯編代碼，比較關(guān)鍵的地方就是使用 CMP 判斷，判斷結(jié)果小于 0 ，所以跳轉(zhuǎn)到 0x0800022E 地址對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)行執(zhí)行，也就是執(zhí)行 result = 1 - result; 同樣的，我們也用示意圖的形式表示一下在這個(gè)過(guò)程 PC 值的變化。

如上圖所示，由于使用了條件分支，程序在執(zhí)行到地址為 0x08000228 的時(shí)候，下一條要執(zhí)行的指令地址并不是 0x0800022A,而是直接跳轉(zhuǎn)到地址為 0x0800022E 的指令進(jìn)行執(zhí)行，那 PC 值的變化也就是圖中左側(cè)所示，因?yàn)闆](méi)有沒(méi)有執(zhí)行一條指令，所以 PC 的變化次數(shù)也就比總的指令數(shù)少一條。

函數(shù)調(diào)用

函數(shù)調(diào)用和使用條件分支有所不同，因?yàn)閱渭兊奶D(zhuǎn)指令無(wú)法實(shí)現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。函數(shù)調(diào)用需要在完成函數(shù)內(nèi)部的處理之后，處理流程再返回到函數(shù)調(diào)用點(diǎn)，也就是返回到函數(shù)調(diào)用指令的下一條指令，因此針對(duì)于函數(shù)調(diào)用來(lái)講，涉及到函數(shù)返回地址的處理。

一級(jí)函數(shù)調(diào)用

涉及到函數(shù)調(diào)用我們都有一個(gè)概念，就是說(shuō)函數(shù)調(diào)用時(shí)會(huì)把函數(shù)返回地址進(jìn)行壓棧，也就是說(shuō)把返回地址存入到堆棧里，函數(shù)返回時(shí)再?gòu)亩褩＠锶〕龇祷氐刂?，但是?duì)于 ARM Cortex M3 的處理器來(lái)講，再處理一級(jí)函數(shù)調(diào)用時(shí)，它并沒(méi)有將函數(shù)返回地址進(jìn)行壓棧，而是將子程序的返回地址存放在 R14 連接寄存器里，函數(shù)返回時(shí)再?gòu)倪@個(gè)寄存器里取出返回值就可以了。這也印證了前文所說(shuō)的這個(gè)寄存器是用于存儲(chǔ)子程序的返回地址的，下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：

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    
}

同樣的，我們給出一級(jí)函數(shù)調(diào)用的示意圖：

通過(guò)上述的匯編代碼也可以看到雖然有了函數(shù)調(diào)用，但是在這里并沒(méi)有進(jìn)行壓棧操作，整個(gè)程序的執(zhí)行流程也如圖中序號(hào)所示，在執(zhí)行到函數(shù)調(diào)用的語(yǔ)句時(shí)，就執(zhí)行 BL.W 指令跳轉(zhuǎn)到函數(shù)的入口地址，子函數(shù)執(zhí)行完之后，再返回至函數(shù)調(diào)用指令的下一條指令的地址，繼續(xù)執(zhí)行主函數(shù)沒(méi)有執(zhí)行完的內(nèi)容，相應(yīng)的 PC 指針寄存器的值也在發(fā)生變化。

二級(jí)函數(shù)調(diào)用

二級(jí)函數(shù)調(diào)用和多級(jí)函數(shù)調(diào)用的原理是一樣的，但是不同于一級(jí)函數(shù)調(diào)用，在進(jìn)行二級(jí)函數(shù)調(diào)用時(shí)，會(huì)涉及到兩個(gè)子函數(shù)的返回地址，但是只有一個(gè) R14（LR） 寄存器，只能存儲(chǔ)一個(gè)返回地址，那要怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候，就要使用到堆棧的機(jī)制，堆棧的特性是先入后出，在函數(shù)嵌套調(diào)用過(guò)程中，先調(diào)用的函數(shù)的返回地址要在后返回，而后調(diào)用的函數(shù)返回地址要在先返回，所以堆棧剛好能夠處理這樣的事情。同樣，我們來(lái)看一個(gè)二級(jí)函數(shù)調(diào)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
}

二級(jí)函數(shù)調(diào)用比一級(jí)函數(shù)調(diào)用要略復(fù)雜一些了，同樣的，我們給出二級(jí)函數(shù)調(diào)用的示意圖：

由于指令數(shù)有點(diǎn)多，通過(guò)省略號(hào)來(lái)替代一些與函數(shù)調(diào)用無(wú)關(guān)的指令。通過(guò)圖片我們也可以更清楚地看到函數(shù)的調(diào)用過(guò)程以及 PC 值的變化，PC 值的變化是一直跟隨著箭頭的走向的。在這小節(jié)的開(kāi)頭，筆者也說(shuō)到涉及到二級(jí)函數(shù)調(diào)用時(shí)，需要使用堆棧，現(xiàn)在看到匯編代碼，也的確是這樣，當(dāng)程序進(jìn)入到 MyFunc 的第一時(shí)間，就是將 LR 寄存器的值壓入堆棧，因?yàn)?MyFunc2 是最后一層函數(shù)調(diào)用，因此 MyFunc2 函數(shù)調(diào)用的返回地址不需要進(jìn)行壓棧，直接使用 LR 寄存器的值進(jìn)行返回就好，我們?cè)倏矗?dāng) MyFunc2 返回后，MyFunc 也要返回，這時(shí)候，需要出棧，即將剛剛壓入堆棧的 LR 寄存器的值賦值給 PC 指針寄存器，PC 指針寄存器永遠(yuǎn)存放的是即將指令的下一條指令的地址，MyFunc 返回主函數(shù)后執(zhí)行剩余的內(nèi)容。

總結(jié)

上述就是涉及到的順序執(zhí)行，條件分支，和函數(shù)調(diào)用的相關(guān)內(nèi)容?？梢钥吹綗o(wú)論是哪一種形式，其實(shí)本質(zhì)就是 PC 值的變化，PC 值永遠(yuǎn)存儲(chǔ)的是即將運(yùn)行的下一條指令的地址，控制這個(gè)值就能夠控制程序的走向。另外需要注意的一點(diǎn)是，對(duì)于 ARM Cortex M3 系列的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，涉及到一級(jí)函數(shù)調(diào)用的時(shí)候，不需要進(jìn)行壓棧操作，涉及到多級(jí)函數(shù)調(diào)用的時(shí)候，才會(huì)使用到堆棧。