Материал: Архитектура и программирование MIPS-процессоров. Разинкин К.А

На рис. 2.15 показан стек до, во время и после вызова функции diffofsums из вышеизложенного примера кода

Рис. 2.15. Стек до (a), во время (b) и после (c) вызова функции diffofsums

Функция diffofsums выделяет пространство на стеке для трёх слов, уменьшая указатель стека $sp на 12. Затем она сохраняет текущие значения $s0, $t0 и $t1 в выделенном пространстве. Дальше выполняется остальная часть функции, которая меняет значения этих трёх регистров. В завершение, функция diffofsums восстанавливает значения регистров $s0, $t0 и $t1 из стека, освобождает пространство на стеке и возвращается в main. Когда функция выполняет возврат, в регистре $v0 находится её результат, но другие побочные эффекты отсутствуют: в регистрах $s0, $t0, $t1 и $sp находятся те же значения, которые там и были до вызова функции.

Оберегаемые регистры

В примере кода 6.26 предполагается, что временные регистры $t0 и $t1 следует сохранять и восстанавливать. Если вызывающая функция не использует эти регистры, то усилия по

81

сохранению и восстановлению их значений тратятся впустую. Чтобы избежать этих

издержек, в архитектуре MIPS регистры разделены на две категории: оберегаемые (англ.: preserved) и необерегаемые (англ.: nonpreserved).

Оберегаемые регистры включают $s0–$s7 (отсюда их название: сохраняемые, англ.: saved). Необерегаемые регистры включают $t0–$t9 (отсюда их название: временные, англ.: temporary). Функция должна сохранять и восстанавливать любые оберегаемые регистры, с которыми она собирается работать, но может свободно менять значения необерегаемых регистров.

В представленном ниже примере кода показана улучшенная версия функции diffofsums, которая сохраняет на стеке только регистр $s0. Регистры $t0 и $t1 являются необерегаемыми регистрами, поэтому их сохранять не обязательно

Пример. Функция, сохраняющая оберегаемые регистры на

стеке

Код на языке ассемблера MIPS

# $s0 = result diffofsums:

addi $sp, $sp, −4 # make space on stack to store one regis-

ter

addi $sp, $sp, 4 # deallocate stack space jr $ra # return to caller

82

Вспомним, что когда одна функция вызывает другую, то первая называется вызывающей функцией, а вторая – вызываемой.

Вызываемая функция должна сохранять и восстанавливать любые оберегаемые регистры, которые собирается использовать, но может свободно изменять любые необерегаемые регистры. Следовательно, если вызывающая функция держит актуальные данные в необерегаемых регистрах, она должна сохранять необерегаемые регистры перед тем, как вызывать другую функцию, а затем их восстанавливать. По этой причине оберегаемые регистры также называют сохраняемыми вызываемой функцией, а необерегаемые регистры называют сохраняемыми вызывающей функцией.

В таблице 2.1 приведены все оберегаемые регистры. Регистры $s0–$s7 обычно используют для хранения локальных переменных внутри функции, поэтому они должны быть сохранены. Регистр $ra также следует сохранять, чтобы функция знала, куда возвращаться. Регистры $t0–$t9 используют для хранения временных результатов перед тем, как присвоить эти значения локальным переменным. Вычисления, использующие временные результаты, обычно завершаются до того, как вызывается функция, поэтому эти регистры не оберегаются, а необходимость сохранять их в вызывающей функции возникает крайне редко. Регистры $a0–$a3 часто перезаписываются в процессе вызова функции, поэтому вызывающая функция должна сохранять их, если эти значения могут понадобиться ей после завершения вызванной функции.

Регистры $v0–$v1, очевидно, не следует оберегать, потому что в них вызываемая функция возвращает свой результат.

83

Стек выше указателя стека автоматически остаётся в сохранности, если только вызываемая функция не осуществляет запись в память по адресам выше $sp. При таком подходе она не меняет кадры стека (англ.: stack frames) других функций. Сам указатель стека остаётся в сохранности потому, что вызываемая функция перед завершением работы освобождает свой кадр стека, прибавляя к $sp то же значение, которое вычла из него в начале.

Рекурсивные вызовы функций

Функция, которая не вызывает другие функции, называется листовой, или терминальной, функцией (англ.: leaf function); пример – функция diffofsums. Функция, которая вызывает другие функции, называется нелистовой (или, соответственно, нетерминальной, англ.: nonleaf function). Как было замечено ранее, нелистовые функции устроены более сложно, потому что перед вызовом других функций им приходится сохранять необерегаемые регистры на стеке и затем восстанавливать эти регистры. А именно, вызывающая функция сохраняет любые необерегаемые регистры ($t0–$t9 и $a0–$a3), значения которых будут нужны ей после вызова. Вызываемая функция сохраняет любые оберегаемые регистры ($s0–$s7 и $ra), которые собирается изменять.

Рекурсивная функция – это нелистовая функция, вызывающая сама себя. Функция вычисления факториала может

84

быть реализована в виде рекурсивной функции. Вспомним, что factorial(n) = n × (n – 1) × (n – 2) ×… × 2 × 1. Функция factorial

в рекурсивном представлении выглядит как factorial(n) = n × factorial(n – 1).

Факториал от 1 – это просто 1. В примере следующем примере показана функция factorial, записанная в рекурсивном виде. Для удобства предполагаем, что программа начинается с адреса 0x90.

Пример Рекурсивный вызов функции factorial Код на языке высокого уровня

int factorial(int n) { if (n <= 1)

return 1; else

return (n * factorial(n − 1));

}

Код на языке ассемблера MIPS

Функция factorial изменяет регистры $a0 и $ra, поэтому она сохраняет их на стеке. Затем она проверяет условие n < 2. Если условие выполнено, она помещает значение 1 в регистр

85