レジスタの格納される位置

Question

###条件
下に示すcファイルをアセンブリにしたものを考えます．
このとき，w0, w1がx29が示すアドレスから見てどの位置に格納されているのかを見ます．
8個までレジスタ経由で引数を渡すものとします．
9個目以降はスタック経由で渡します．ただし，今回は引数はふたつまでしか出てきていません．
結果はw0レジスタにセットします．
###質問内容

私の考えでは，21行目のstpは，二つのレジスタx29, x30の内容をスタックポインタ(sp)から16だけ減じたアドレスのメモリに書き込んでいるので，引数はそのx29の直下に位置するのではないかと考えていますが，あっていますでしょうか．
図的には，汎用レジスタ1がx29であり，そのすぐ下にw1, w0の順に入っていると考えています．

###cファイル

sum(int a, int b)
{
    return a+b;
}

main()
{
    int a;
    a= sum(1, 2);
    put_int(a);
}

###アセンブリ

###追記
tlcの実行結果

FuncTab
 sum #1
 main #2

SymTab
id(1)
 a #1, offset(-4)
 b #2, offset(-8)
id(2)
 a #1, offset(-4)
root
 func[ identifier(r0)(sum)] ( param(r0)( identifier(r0)(a)) param(r0)( identifier(r0)(b)))
  l(3): return( add(r0)( identifier(r0)(a) identifier(r1)(b)))

 func[ identifier(r0)(main)] ()
  l(8): declaration( identifier(r0)(a))
  l(9): stm_asign( exp_asign(r0)( identifier(r0)(a) call(r1)( identifier(r0)(sum) ( const_int(r0)(1) const_int(r0)(2)))))
  l(10): stm_asign( call(r0)( identifier(r0)(put_int) ( identifier(r0)(a))))

引数が9個のプログラム

sum(int a, int b, int c, int d, int e, int f,int g,int h,int i)
{
    return a+b+c+d+e+f+g+h+i;
}

main()
{
    int a;
    a= sum(1, 2,3,4,5,6,7,8,9);
    put_int(a);
}

     1          .arch armv8-a
     2          .file   "nine_var.c"
     3          .text
     4          .align  2
     5          .global sum
     6          .type   sum, %function
     7  sum:
     8  .LFB0:
     9          .cfi_startproc
    10          add     w0, w0, w1
    11          add     w0, w0, w2
    12          add     w0, w0, w3
    13          add     w0, w0, w4
    14          add     w0, w0, w5
    15          add     w0, w0, w6
    16          add     w0, w0, w7
    17          ldr     w1, [sp]
    18          add     w0, w0, w1
    19          ret
    20          .cfi_endproc
    21  .LFE0:
    22          .size   sum, .-sum
    23          .align  2
    24          .global main
    25          .type   main, %function
    26  main:
    27  .LFB1:
    28          .cfi_startproc
    29          sub     sp, sp, #32
    30          .cfi_def_cfa_offset 32
    31          stp     x29, x30, [sp, 16]
    32          .cfi_offset 29, -16
    33          .cfi_offset 30, -8
    34          add     x29, sp, 16
    35          mov     w0, 9
    36          str     w0, [sp]
    37          mov     w7, 8
    38          mov     w6, 7
    39          mov     w5, 6
    40          mov     w4, 5
    41          mov     w3, 4
    42          mov     w2, 3
    43          mov     w1, 2
    44          mov     w0, 1
    45          bl      sum
    46          bl      put_int
    47          mov     w0, 0
    48          ldp     x29, x30, [sp, 16]
    49          add     sp, sp, 32
    50          .cfi_restore 29
    51          .cfi_restore 30
    52          .cfi_def_cfa_offset 0
    53          ret
    54          .cfi_endproc
    55  .LFE1:
    56          .size   main, .-main
    57          .ident  "GCC: (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0"
    58          .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

これのtlcによる実行

FuncTab
 sum #1
 main #2

SymTab
id(1)
 a #1, offset(-12)
 b #2, offset(-16)
 c #3, offset(-20)
 d #4, offset(-24)
 e #5, offset(-28)
 f #6, offset(-32)
 g #7, offset(-36)
 h #8, offset(-40)
 i #9, offset(-8)
id(2)
 a #1, offset(-4)
root
 func[ identifier(r0)(sum)] ( param(r0)( identifier(r0)(a)) param(r0)( identifier(r0)(b)) param(r0)( identifier(r0)(c)) param(r0)( identifier(r0)(d)) param(r0)( identifier(r0)(e)) param(r0)( identifier(r0)(f)) param(r0)( identifier(r0)(g)) param(r0)( identifier(r0)(h)) param(r0)( identifier(r0)(i)))
  l(3): return( add(r0)( add(r0)( add(r0)( add(r0)( add(r0)( add(r0)( add(r0)( add(r0)( identifier(r0)(a) identifier(r1)(b)) identifier(r1)(c)) identifier(r1)(d)) identifier(r1)(e)) identifier(r1)(f)) identifier(r1)(g)) identifier(r1)(h)) identifier(r1)(i)))

 func[ identifier(r0)(main)] ()
  l(8): declaration( identifier(r0)(a))
  l(9): stm_asign( exp_asign(r0)( identifier(r0)(a) call(r1)( identifier(r0)(sum) ( const_int(r0)(1) const_int(r0)(2) const_int(r0)(3) const_int(r0)(4) const_int(r0)(5) const_int(r0)(6) const_int(r0)(7) const_int(r0)(8) const_int(r0)(9)))))
  l(10): stm_asign( call(r0)( identifier(r0)(put_int) ( identifier(r0)(a))))

Comments

[maisumakun]

実際に出力されているアセンブリコード（x86）と、考えているアーキテクチャが一致していないようです。「STP」という命令もアセンブリリストにありません。

[SaitoAtsushi]

「21行目のstp」とは何のことですか？ 提示されているコードの中にはありません。
また、提示されているアセンブリコードは x86 (32bit) のものらしく見えますが、 STP というニーモニックはおそらく Arm のものではないでしょうか？

[grape_ll]

申し訳ございません．
間違えたものを貼ってしまいました，編集いたします．
ご指摘ありがとうございます．

Answer 1

事情と質問の意図が見えてきたので、回答修正します。修正続きですみません。

そのすぐ下にw1, w0の順に入っていると考え

これは間違い。W0, W1 はCPUのレジスタであって、メモリではありません。CPUレジスタ　X0～X7　或いは W0～W7はレジスタそのものです。

関数sumの中の二つの引数はメモリに格納されていません。アセンブリコードに示されているように、
「add w0, w0, w1」は「w0 = w0 + w1」という命令が、レジスタだけで計算を行い、すぐ w0 の値を return しています。

引数はそのx29の直下に位置するのではないかと考えていますが，あっていますでしょうか

この質問は、もし関数の引数がスタックメモリも使うようになったら、それはX29（が格納された番地）の次の番地か？という質問であれば、そうなる可能性が高い・・・いや、スタックトップから X29, X30 とプッシュされるからX30がプッシュされた番地の次の番地、即ちX30の次がスタック渡しされた引数である可能性が高い。

STP命令の直後に「mov x29, sp」命令があります。これによりスタックポインタSPとX29は、共にスタックにプッシュされた X29 （の値があるメモリ）の番地を指しています。
スタック渡しされた引数（９番目の引数）は「SP + 16」番地もしくは「X29 + 16」番地にある、どちらでもアクセスが可能です。私の勝手な予想だと、フレームポインタ X29 を使ってアクセスするのではないかな。それは９個以上の引数を持つ関数をコンパイルしてみればはっきりするでしょう。

なお、引数を用意する＝引数をスタックにプッシュするのは、関数を呼出す側のコードです。呼ばれた関数から見れば、既にそこ（スタックの先頭付近のメモリ）に引数がセットされているという事。

質問にあるように、ARM64は８個の引数までレジスタで渡すようなので、９個目の引数を持つ関数をコンパイルして、アセンブリコードを調べてみればよいだけ。人に聞くより自分で試してみれば良いのに、なぜそうしないのだろうかと思う。今私の手元にARM64用コンパイラが無いので確かめられないが、持っているならすぐ確認できるはず。

要するに、実際の所を具体的に知りたければ、次のようなことを試してみる。

• もっとたくさんの引数を持つ関数をコンパイルして、生成されるアセンブリコードを調べる
• サイズが大きめの構造体を引数にする関数をコンパイルして（以下略）
• （中級以上なら）可変長引き数の関数を書いて（以下略）

念のため：STP命令がスタックに書き込んでいるX29, X30レジスタは

• X29 関数のスタックフレームを指すフレームポインタ
• X30 関数の戻り番地が格納されるリンクレジスタ

なので、X86-64と対応させると

• X29はRBPレジスタに対応する
• X30は（call命令でスタックにプッシュされる）戻り番地に対応する

スタックの使い方はCPUが違ってもそんなに違わない。また、そうするためにSTP命令があるようです。

---

引数9個の関数 sum() 関数のコンパイル結果からわかること。
sum() 関数は

• 8個の引数 w0 ～ w7 を、メモリに格納することなく計算に使う。
• 9番目の引数はスタックトップから読み出す（ldr w1,[sp]）。これは私の予想と違いました。その理由はsum() がリーフ関数（後述）であることが大きいかもしれません。

その関数を呼び出すmain()でわかったこと。main()がやっていることは

• スタック領域に32バイトの領域をつくる（sub sp, sp, #32）。
• スタックトップから16バイト目のところ（32バイト領域の中ほど）に X29, X30を退避する（stp x29,x30,[sp, 16]）。
• スタックトップ（から16バイト）を sum() 関数に渡す引数領域として使う（str w0,[sp]）。ただし、この場合w0は32bitなので実際に使っているのは16バイト中4バイトだけ。
• 残り8個の引数はレジスタ w0 ～ w7 で渡す（予想通り）。

sum() 関数は他の関数をcallしない関数です。こういう関数を、関数呼び出しの関係を樹形図になぞらえて、リーフ関数（leaf function、葉関数）と呼びます。リーフ関数は関数の戻り番地（X30）をメモリに退避する必要がありません。そのため sum() の中で　STP 命令を実行しません。その結果、main() が用意した９番目の引数は、そのままスタックトップにある（[sp]にある）という状態です。

---

リーフ関数でない関数、関数の中に配列などを持つ関数などもコンパイルしてみると面白そうですね。

Comments

[grape_ll]

確認が遅れてしまい申し訳ございません．分かりやすいように修正していただきありがとうございます．

>CPUレジスタ　X0～X7　或いは W0～W7はレジスタそのものです。
ということは，関数sumの中の二つの引数はメモリに格納されていないということでしょうか．
興味のある人は，関数samの二つの引数がx29の指すアドレスを機転としてどの位置に格納されているかを確認してみるとより理解が深まるといわれたので，てっきりこのw0, w1のレジスタもメモリ上にあるのだと思っていました．

>X30の次がスタック渡しされた引数である可能性が高い。
スタック渡しでx30の下に来たとして，stpではオフセットが16であり，その確保した分はx29とx30で使い切ってしまうように思えるのですが，それでも良いのでしょうか．

[rubato6809]

回答修正しました。

> その確保した分はx29とx30で使い切ってしまう
それはその通り。16はX29とX30の分です。でも引数はそこに続くメモリに既にセットされてあります。

[grape_ll]

回答の追記，ありがとうございます．

>スタック渡しされた引数（９番目の引数）は「SP + 16」番地もしくは「X29 + 16」番地にある

　　　　　ーーーーーー
　　　　　| |
　　　　　ーーーーーー <-x29
　　　　　| |
　　　　　ーーーーーー <-x30
　　　　　| |
　　　　　ーーーーーー <-移動前のsp
　　　　　| | <-ここに引数

ビジュアル的に見るとこのような理解であっていますでしょうか．

[rubato6809]

たぶん、そう。でも私はコンパイルされたARM64のコードを見ていないので、ご自分でコンパイルして確かめることですね。

[grape_ll]

後ほど引数9個の関数を作って実行してみます．
結果を追記いたしますので，見ていただいても構いませんでしょうか．

[grape_ll]

tlcという簡易コンパイラで実行してみると追記に記したようになるのですが，もしかしてこれのoffsetが場所を示していますでしょうか．

[grape_ll]

回答の修正，ありがとうございます．
色々なことをつかめた気がします．