GCC在ISR中生成無用的代碼

Question

我有一個非常簡單的中斷服務程序（ISR）為atmega328編寫，並使用AVR工作室使用avrgcc（使用-Os）編譯。

ISR (TIMER0_OVF_vect) { 
    txofcnt++;  //count overflows and store in uint16_t 
}

如果你注意到生成的程序集（如下），它使用r24，r25來獲取增加易失性uint16_t txofcnt的作業，但它也是push-write-pop r1，r28，r29而沒有讀取它們。 它還有一個額外的r0推/彈，而不會在它們之間使用它。

我不知道為什么r1被推，清除然后最終poped。 但是為什么gcc覺得需要將EIMSK和GPIOR0加載到寄存器中然后不使用它們。 如果你能告訴我GPIOR0的用途是什么，那么數據表說它存在但沒有描述。

00000258 <__vector_16>:

ISR (TIMER0_OVF_vect) {
 258:   1f 92           push    r1
 25a:   0f 92           push    r0
 25c:   00 90 5f 00     lds r0, 0x005F
 260:   0f 92           push    r0
 262:   11 24           eor r1, r1
 264:   8f 93           push    r24
 266:   9f 93           push    r25
 268:   cf 93           push    r28
 26a:   df 93           push    r29
 26c:   cd b7           in  r28, 0x3d   ; 61 reads register EIMSK
 26e:   de b7           in  r29, 0x3e   ; 62 reads register GPIOR0
    txofcnt++;  
 270:   80 91 0a 01     lds r24, 0x010A
 274:   90 91 0b 01     lds r25, 0x010B
 278:   01 96           adiw    r24, 0x01   ; 1
 27a:   90 93 0b 01     sts 0x010B, r25
 27e:   80 93 0a 01     sts 0x010A, r24
}
 282:   df 91           pop r29
 284:   cf 91           pop r28
 286:   9f 91           pop r25
 288:   8f 91           pop r24
 28a:   0f 90           pop r0
 28c:   00 92 5f 00     sts 0x005F, r0
 290:   0f 90           pop r0
 292:   1f 90           pop r1
 294:   18 95           reti

Answer 1

請記住，ISR會中斷當前在CPU上執行的任何代碼。 他們必須小心保存當前CPU狀態（序言）並在退出（結尾）時恢復它，以便中斷的代碼可以正常繼續。

在AVR上，有幾個寄存器不需要在正常的功能序列/結尾中保存/恢復，但需要由ISR保存：

• r0 - 臨時寄存器。 普通函數可以隨心所欲地執行任何操作，但ISR必須保留它。
• r1 - 零寄存器，但可以通過正常功能中的指令寫入。 同樣，必須由ISR保存。

這解釋了為什么保存r0和r1。 GPIOR0顯然只是一個函數可能正在使用的另一個通用寄存器，因此它也需要保存。 如果優化器可以判斷某些寄存器實際上沒有被ISR修改，可能會優化其中的一部分，但優化器可能不那么聰明，或者您可能需要嘗試更高的優化級別。

更多信息請訪問http://gcc.gnu.org/wiki/avr-gcc

Answer 2

有一些關於GCC的AVR注冊用法的文檔，請訪問https://gcc.gnu.org/wiki/avr-gcc

與您的問題相關的一些段落：

固定注冊

固定寄存器是GCC寄存器分配器不會分配的寄存器。 寄存器R0和R1是固定的，並在打印出匯編器指令時隱式使用：

• R0

  用作臨時寄存器，使用后無需恢復。 它必須在中斷服務程序（ISR）序言和結語中保存和恢復。 __tmp_reg__聯匯編程序中，您可以使用__tmp_reg__作為臨時寄存器。

• R1

  始終包含零。 在insn期間，內容可能被破壞，例如通過使用R0 / R1作為隱式輸出寄存器的MUL指令。 如果insn破壞了R1，則insn必須在之后將R1恢復為零。 該寄存器必須保存在ISR序言中，然后必須設置為零，因為R1可能包含非零值。 ISR結局恢復了價值。 __zero_reg__聯匯編程序中，您可以使用__zero_reg__作為零寄存器。

  ...

呼叫使用的寄存器

呼叫使用或呼叫破壞的通用寄存器（GPR）是可能被函數調用破壞（破壞）的寄存器。

• R18-R27，R30，R31

  這些GPR被稱為破壞。 普通功能可以在不恢復內容的情況下使用它們。 中斷服務程序（ISR）必須保存和恢復它們使用的每個寄存器。

  ...

呼叫保存的注冊表

• R2-R17，R28，R29

  其余的GPR被調用保存，即使用這種寄存器的函數必須恢復其原始內容。 即使寄存器用於傳遞函數參數，這也適用。

接下來我猜測為什么編譯器在ISR序言/結語中執行一些顯然不必要的寄存器保存/恢復：

• r0和r1被保存/恢復，因為編譯器生成或調用的代碼將在上面列出關於它們的假設。 由於它們沒有被GCC的寄存器分配器跟蹤，序言必須確保它們被保存（並且在r1的情況下初始化為0）。

• r28和r29用於保存堆棧指針（ 0x3d / SPL和0x3e / SPH ）。 我猜測（並且我想強調這是猜測）編譯器編寫者認為中斷處理程序交換堆棧可能很常見，這可以確保ISR可以恢復正在使用的堆棧。中斷發生了。 編譯器可以假設這些寄存器不會被被調用的函數改變，因為它們是“調用保存”寄存器。

此外，您應該注意到r0的明顯“額外”推送和彈出是將SREG狀態寄存器保存在堆棧中。 即使在那些push和pop指令之間沒有使用r0 ，請記住r0寄存器是一個暫存寄存器，寄存器分配器不會跟蹤它，所以編譯器不會假設r0在加載SREG后不會改變進去。

另外， 0x3d和0x3e的讀取是SPL和SPH堆棧指針寄存器，而不是EIMSK和GPIOR0寄存器。 有關使用IN / OUT指令而不是加載或存儲指令時寄存器尋址方式有何不同的詳細信息，請參見參考手冊中的寄存器匯總表（第625頁）的注4。

關於GPIOR0的獎勵積分：

8.5.1通用I / O寄存器

ATmega48A / PA / 88A / PA / 168A / PA / 328 / P包含三個通用I / O寄存器。 這些寄存器可用於存儲任何信息，它們對於存儲全局變量和狀態標志特別有用。 地址范圍0x00 - 0x1F內的通用I / O寄存器可使用SBI，CBI，SBIS和SBIC指令直接進行位訪問。