嵌入式：什么是ATPCS

Posted 2023-01-01

ATPCS介绍

ATPCS（ARM-Thumb Produce Call Standard）是ARM程序和Thumb程序中子程序调用的基本规则，目的是为了使单独编译的C语言程序和汇编程序之间能够相互调用。这些基本规则包括子程序调用过程中寄存器的使用规则、数据栈的使用规则和参数的传递规则。

寄存器的使用规则

子程序间通过寄存器R0～R3来传递参数，这时，寄存器R0～R3可以记作A1～A4。被调用的子程序在返回前无需恢复寄存器R0～R3的内容；

在子程序中，使用寄存器R4～R11来保存局部变量。这时，寄存器 R4～R11可以记作V1～V8。如果在子程序中使用到了寄存器V1～V8中的某些寄存器，子程序进入时必须保存这些寄存器的值，在返回前必须恢复这些寄存器的值；对于子程序中没有用到的寄存器则不必进行这些操作。在Thumb程序中，通常只能使用寄存器R4～R7来保存局部变量；

寄存器R12用作子程序间的scratch寄存器（用于保存SP，在函数返回时使用该寄存器出栈），记作ip（Intra-Procedure-call Scratch Register；内部程序调用暂存寄存器）。在子程序间的连接代码段中常有这种使用规则；

寄存器R13用作数据栈指针，记作sp。在子程序中寄存器R13不能用作其他用途。寄存器sp在进入子程序时的值和退出子程序时的值必须相等；

寄存器R14称为链接寄存器，记作lr。它用于保存子程序的返回地址。如果在子程序中保存了返回地址，寄存器R14则可以用作其他用途；

寄存器R15是程序计数器，记作pc。它不能用作其他用途。

ATPCS中各寄存器的使用规则及其名称

寄存器	别名	特殊名	使用规则
R0	a1		参数/结果／scratch寄存器1
R1	a2		参数/结果／scratch寄存器2
R2	a3		参数/结果／scratch寄存器3
R3	a4		参数/结果／scratch寄存器4
R4	v1		ARM状态局部变量寄存器1
R5	v2		ARM状态局部变量寄存器2
R6	v3		ARM状态局部变量寄存器3
R7	v4	wr	ARM状态局部变量寄存器4 Thumb状态工作寄存器
R8	v5		ARM状态局部变量寄存器5
R9	v6	sb	ARM状态局部变量寄存器6， 在支持RWPI的ATPCS中为静态基址寄存器
R10	v7	sl	ARM状态局部变量寄存器7， 在支持数据栈检查的ATPCS中为数据栈限制指针
R11	v8	fp	ARM状态局部变量寄存器8/帧指针
R12		ip	子程序内部调用的scratch寄存器
R13		sp	数据栈指针
R14		lr	连接寄存器
R15		pc	程序计数器

数据栈使用规则

满（FULL）栈

当堆栈指针指向栈顶元素，即指向最后一个入栈的数据元素时

空（EMPTY）栈

当堆栈指针指向与栈顶元素相邻的一个可用数据单元时

递减（DESCENDING）堆栈

当数据栈向内存地址减小的方向增长时

递增（ASCENDING）堆栈

当数据栈向内存地址增加的方向增长时，

• FD （Full Descending） 满递减
• ED （Empty Descending）空递减
• FA （Full Ascending） 满递增
• EA （Empty Ascending） 空递增

ATPCS规定数据栈为FD（满递减）类型。异常中断的处理程序可以使用中断程序的数据栈，但是要保证中断程序的数据栈足够大。

参数传递规则

参数个数固定的子程序参数传递规则

各个浮点参数按顺序处理；

为每个浮点参数分配FP寄存器。分配的方法是，满足该浮点参数需要的且编号最小的一组连续的FP寄存器。
第一个整数参数，通过寄存器R0～R3来传递。其他参数通过数据栈传递

参数个数可变的子程序参数传递规则

对于参数个数可变的子程序，当参数不超过4个时，可以使用寄存器R0~R3来传递参数；当参数超过4个时，还可以使用数据栈来传递参数；

在参数传递时，将所有参数看作是存放在连续的内存字单元中的字数据。然后，依次将各字数据传送到寄存器R0、Rl、R2、R3中，如果参数多于4个，将剩余的字数据传送到数据栈中，入栈的顺序与参数顺序相反，即最后一个字数据先入栈。

子程序结果返回规则

结果为一个32位的整数时，可以通过寄存器R0返回；

结果为一个64位整数时，可以通过寄存器R0和R1返回，依次类推；

结果为一个浮点数时，可以通过浮点运算部件的寄存器f0、d0或者s0来返回；

结果为复合型的浮点数(如复数)时，可以通过寄存器f0\\_fn或者d0\\dn来返回。

对于位数更多的结果，需要通过内存来传递。

参考文献：

孟祥莲．嵌入式系统原理及应用教程（第2版）[M]．北京：清华大学出版社，2017.