在前面的系列文章中，尤其是CM3/4之LR寄存器、EXC_RETURN深入分析 中我们简单的分析了一些函数调用与中断调用的流程，那篇文章也基本上能说明函数调用和中断调用的一些区别，本文将基于栈帧的概念，再次分析一下两者之间的相同点和不通点。
栈帧栈帧是一个非常专业的概念，很惭愧的说，在没有深入分析RTOS之前，我也不曾了解栈帧这一概念，之前只是大概了解到函数调用需要堆栈存放局部、临时变量，但是栈帧这个概念确实时从未关注过。我们先引入《The Definitive guide to ARM Cortex M3/4》中对栈帧的概念介绍：
翻译出来，有如下关键点：
- 栈帧是一块数据（the block of data）。
- 这块数据会压栈（pushed to the stack）。
- 在中断进入时进行压栈。
综上：起码在CM3中，栈帧特指发生中断时，CPU硬件自动保存现场的一块数据。，以CM3为例，栈帧内的数据包括：R0, R1, R2, R3, R12, R14(LR)， R15(PC 返回地址)， xPSR。
栈帧生成，自动压栈的流程如下：
答案是：为了用C程序编写中断服务函数。
这个答案似乎有些突兀，我按照我自己的理解来分析一下：
- C语言在嵌入式硬件广泛应用的时间并不长，也就20年左右，而单片机的历史已经非常长了，比如我们国内单片机教材中提到的MCS-51第一代其实是1980年的产物，C语言虽然是1972年发明的，但是发明之初并不是为了嵌入式单片机，直到1989年才有第一个C标准，也就是C89。笔者在零几年上大学的时候，教材里仍然是使用汇编语言编写单片机89C51程序。所以在没有使用C语言之前，应用程序，尤其是是中断服务程序都是使用汇编语言写的。
- 当C语言在嵌入式大行其道时，相比汇编语言，C语言对程序员简直是太友好了，所以理所当然的，程序员是希望中断服务函数也能像C函数一样方便编写。
如果用C语言编写一个中断服务程序，那么中断服务程序就是函数形式，那么问题就来了，函数和中断服务程序的运行机制是有区别的。我们先看下C语言函数运行机制的规则是如何定义的：
上面说的非常专业，但其实翻译过来，结合我们的使用习惯，有如下重点：
- R0~R3, R12, R14(LR), PSR 这7个寄存器称为“caller saved registers”，叫需要调用者进行保存的寄存器，这是因为函数调用返回后，这些寄存器可能还需要用，则调用者需要保存这7个寄存器， 比如R0-R3一般用于函数的入参，R0用于函数的返回值。
- R4~R11这8个寄存器称为“callee-saved registers”， 叫“被调用者保存寄存器”， 这是因为这些寄存器再函数内部，随时可能会被使用，如果不想在函数退出后，这些寄存器值影响，则需要被调用者去保存。
- 上述的解释还是有些绕，我们可以简单的这么理解：
R0~R3, R12, R14(LR), PSR这7个， 有需要，则需要在函数调用前就保存。
R4~R11值8个寄存器，根据需要，在函数内部进行保存。
综上，如果用C语言编写一个中断服务程序，那么这个中断服务程序也是一个C函数，既然是函数，就要符合C函数调用的规则，也就是符合AAPCS规则，但是中断毕竟是跟函数有些不通的，主要有以下不同点：
| – | 同步/异步 | 退出机制 |
|---|---|---|
| 函数调用 | 同步调用（明确知道何时调用） | 通过LR地址退出，调用进入前，CPU自动更新返回地址到LR |
| 中断 | 异步发生（不知道何时发生） | EXC_RETURN机制，进入中断服务前，CPU自动计算EXC_RETURN，赋值给LR，LR不是真实的返回地址 |
所以，目标就来了，既要让中断调用符合C函数的规范，又要满足中断机制，怎么办，ARM的解决方法是这样：
- 由于中断时随机发生的，而进入中断前可能还需要保存R0~R3，R12, R14, PSR，这部分如果让开发者来做肯定是没戏的，因为开发者不知道啥时候发生中断的，那只能是CPU自己来做了，要不然这事儿无解，所以发生中断时，在进入中断服务程序这个C函数前，需要硬件自动保存R0-R3, R12, R14, PSR这7个寄存器。
- 由于中断的退出与函数有区别，函数退出比较简单， CPU把退出地址更新到LR就可以了，函数退出的时候，再把LR给PC就可以了。但是中断不通，中断需要由EXC_RETURN机制，因为EXC_RETURN保存了发生中断前的CPU工作模式、MSP/PSP使用情况这些信息，本办法啊，这是OS需要的特性，而且偏偏EXC_RETURN还赋值给了LR，怎么办呢？可以新增一个专用寄存器，但是专用寄存器制造成本高啊，最后，得了，还是CPU自己把PC的值也保存起来吧，加上那7个，总共8个，组成一个栈帧吧。
终于，ARM相对完美解决了【既能用C编写中断服务程序，又能区别中断和函数，就能满足AAPCS规则】的问题。
小结- 栈帧是发生中断时，CPU硬件自动保存现场R0~R3, R12, R14, PC, PSR共8个（不同架构可能更多，比如浮点）寄存器的操作。
- 在发生中断时，CPU之所以硬件自动保存栈帧，是为了满足使用C能够直接编写中断服务程序，同时又能满足AAPCS的规范的平衡策略。
- 自动保存栈帧 + EXC_RETURN机制，完美解决了【既能用C编写中断服务程序，又能区别中断和函数，就能满足AAPCS规则】的问题。
