为什么 AVR-GCC 编译器在乘法后附加一个 "clr r1" 行？

Question

我正在尝试检查 AVR-GCC 编译器如何编译乘法？

输入c代码：

unsigned char square(unsigned char num) {
    return num * num;
}

输出汇编代码：

square(unsigned char):
        mul r24,r24
        mov r24,r0
        clr r1
        ret

我的问题是为什么要添加语句clr r1？表面上看，假设参数存储在 r24 中并且 return 值在 r24 中可用。

直接神箭link： https://godbolt.org/z/PsPS_N

更新：

我也看到了相关更一般的讨论here。

Answer 1

那将是 the AVR ABI used by GCC 的问题。特别是：

R1

always contains zero. During an insn the content might be destroyed, e.g. by a MUL instruction that uses R0/R1 as implicit output register. If an insn destroys R1, the insn must restore R1 to zero afterwards. [...]

这正是您在集会中看到的。 R1 被 MUL 破坏，因此必须随后将其清零。

Answer 2

当实现 GCC 的 AVR 后端并设计 avr-gcc ABI 时，事实证明，当存在已知包含 0 的寄存器时，在某些情况下可以改进代码生成。作者当时选择了R1，即avr-gcc在打印汇编指令时，可以假设R1=0就像这个例子：

unsigned add (unsigned x, unsigned char y)
{
    if (x != 64)
        return x + y;
    else
        return x;
}

这将使用 -c -Os -save-temps 编译为以下代码。它使用 R1 又名。 __zero_reg__ 所以它可以打印更短的指令序列：

__zero_reg__ = 1
add:
    cpi r24,64
    cpc r25,__zero_reg__
    breq .L2
    add r24,r22
    adc r25,__zero_reg__
.L2:
    ret

选择

R1 是因为在 AVR 中，较高的寄存器更强大，因此寄存器分配从较高的寄存器开始——有点保留——因此低寄存器将最后使用。因此使用了寄存器号较小的寄存器。

这个特殊寄存器不是由寄存器分配器管理的，它是"fixed"并且是手动管理的。对于不支持 MUL 指令的早期 AVR，这一切都很简单。然而，随着 MUL 和表兄弟的引入，事情变得更加复杂，因为 MUL 使用寄存器对 R1:R0 作为隐式输出寄存器，因此覆盖 [=23] 中保存的 0 =].

因此您可以实施两种方法：

每次使用 CLR __zero_reg__ 之前发出 R1 包含 0.
清除 reg 'after' 破坏它的序列。

avr 后端实现方法 2。

因为在当前的 avr 后端（至少到 v10）这个寄存器是手动管理的，没有信息清除那个寄存器是否真的需要或者可能被省略：

unsigned char mul (unsigned char x)
{
    return x * x * x;
}

产生 -c -Os -mmcu=atmega8 -save-temps:

mul:
    mul r24,r24
    mov r25,r0
    clr r1
    mul r25,r24
    mov r24,r0
    clr r1
    ret

即R1 被清除两次即使在第一个 'CLR' 之后 'MUL' 指令再次覆盖它。原则上，avr 后端可以跟踪哪些指令破坏 R1 以及哪些指令（序列）需要 R1=0，但是目前（v10）尚未实现。

MUL 的引入导致了另一个复杂化：R1 不再是总是零，即当中断在 [= 之后立即触发时25=] 那么寄存器一般是 而不是 零。因此，中断服务例程 (ISR) 必须在可能使用 R1:

时保存+恢复它

#include <avr/interrupt.h>

char volatile v;

ISR (__vector_1)
{
    v = 0;
}

编译、汇编然后 avr-objdump -d 在目标文件上读取：

00000000 <__vector_1>:
   0:   1f 92           push    r1
   2:   1f b6           in      r1, 0x3f
   4:   1f 92           push    r1
   6:   11 24           eor     r1, r1
   8:   10 92 00 00     sts     0x0000, r1
   c:   1f 90           pop     r1
   e:   1f be           out     0x3f, r1
  10:   1f 90           pop     r1
  12:   18 95           reti

ISR 的负载只是 sts ..., r1，它存储 0 到 v。这需要 R1=0，因此需要 clr r1，因此通过 push+pop 保存-恢复 R1。 clr 破坏了程序状态（SREG 在 I/O 地址 0x3f），因此 SREG 也必须围绕该序列保存-恢复，并且为了实现编译器使用 r1 作为作为特殊功能寄存器的临时寄存器不能与 push/pop.

一起使用

除此之外，在 MUL:

之后 no 零寄存器重置的情况

int square (int a)
{
    return a * a;
}

编译为：

    mul  r24,r24
    movw r18,r0
    mul  r24,r25
    add  r19,r0
    add  r19,r0
    clr  r1
    movw r24,r18
    ret

之所以在第一个MUL之后没有CLR是因为乘法序列内部表示然后发出为one chunk (insn)，所以知道不需要对于中间 CLR。然而，在上面带有 x * x * x 的示例中，内部表示是两个 insn，一个用于任一乘法。

为什么 AVR-GCC 编译器在乘法后附加一个 "clr r1" 行？

Why AVR-GCC compilers append a "clr r1" line after multiplication?

c

embedded

avr

avr-gcc

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