[1]arm64架构学习

介绍

ARM架构也曾经叫做进阶精简机器指令集，早期是一个32位的处理器架构，目前为止占据了32位嵌入式处理器的75%，成为全世界最多数的32位架构。arm架构主要用于低性能或一般性能的嵌入式操作系统，对于一些高级的比如计算机或者服务器，取决于CPU的架构，如AMD的AMD64或Intel的x64架构等等，他们是相似但不相同的。不过由于市面上绝大部分架构都是从arm演变过来的，所以学ARM架构就足够了。

ARM的第一代产品在1985年推出，使用了RISC架构，史称ARM架构。arm不同版本有不同的功能：
| 版本 | 特点 |
| —— | ——————————————— |
| v1 | 26位地址 |
| v2 | 乘法和加法指令，支持协处理器 |
| v3 | 地址扩展到32位 |
| v4 | 增加Thumb指令集 |
| v5 | 增加Jazelle和VFPv2指令 |
| v6 | 增加SIMD、Thumb-v2扩展 |
| v7 | 增强Neon和VFPvs/v4扩展 |
| v8 | 同时支持32位和64位指令集处理器 |
| v9 | 支持矢量扩展计算 |

基本寄存器

通用寄存器：X0~X30，用于保存基本数据，每个寄存器有64位，W可以用于表示X的低32位的数据

PSTATE寄存器：

• N：负数标志位
• Z：0标志位
• C：进位标志位
• V：溢出标志位
• SS：软件单步
• IL：异常标志位
• nRW：架构模式，可以判断寄存器数（0有32个通用寄存器，1有16个通用寄存器）
• EL：异常等级标志位
• SP：选择异常处理寄存器
• D：调试位
• A：屏蔽错误
• I：屏蔽中断（IRQ）
• F：屏蔽快速中断（FIQ）
• PAN：特权模式禁止访问位（异常等级跨界访问置为1）
• UAO：访问覆盖标志位（无特权访问地址指令置为1）

除了上述之外还有很多寄存器，这里就不一一列举了。

PC寄存器是程序运行的指针，但是无法访问。SP是异常等级指针。

SP寄存器中有：SP_EL0，也就是EL0的寄存器，同理还有EL1，EL2，EL3寄存器。这些寄存器都是被穷举出来的，也就是说不可变。

简单指令集

加载指令：LDR

• LDR Xt, [Xn, #偏移量] 加载Xn+偏移量处（不写就不偏）的值存储进Xt

存储指令：STR

• STR Xt, [Xn, #偏移量] 保存Xt的值进入Xn+偏移量处（不写就不偏）

前变基：先偏移后取值

• LDR Xt, [Xn, #8] 先移动8位然后加载值进入Xt

后变基：先取值后偏移

• LDR Xt, [Xn], #8 先加载Xn的值进Xt，然后Xn向后移动8位

标签：

my_label:
	.data 0xff
ldr x0, my_label

其中的my_labe就是标签，ldr加载my_label的值data为0xff，给了x0寄存器。为了美观一般也写作

ldr x0, =my_label

其他指令：

指令	功能
LDR	加载数据指令
LDRSW	加载有符号字大小的数据
LDRB	加载字节大小的数据
LDRSB	加载有符号字节的数据
LDRH	加载半个字节大小的数据
LDRSH	加载半个有符号字节大小的数据
STRB	存储一个字节的数据
STRH	存储半个字节的数据

移动指令：MOV

• MOV Xt, #偏移量 将xt的数据移动偏移量位

加法指令：ADD

• ADD Xd, Xn, #偏移量 意为Xn的值加上偏移量的值存入Xd内
• ADD Xd, Xn, Xt 数学含义为：Xd = Xn + Xt
• ADD Xd, Xn, Xt LSL 2 数学含义为: Xd = Xn + Xt << 2

减法指令：SUB

• SUB Xd, Xn, #偏移量 意为Xn的值减去偏移量的值存入Xd内
• SUB Xd, Xn, Xt 数学含义为：Xd = Xn - Xt
• SUB Xd, Xn, Xt LSL 2 数学含义为: Xd = Xn - Xt << 2
• SUBS Xd, Xn, Xt 数学含义为：Xd = Xn - Xt，如果出现了NZCV标志可以直接获取

比较指令：CMP

• CMP Xn, Xt 等效的算式为：Xn + NOT(Xt) + 1

通过读取LS寄存器的值就可以知道它是小于或等于，读取CS则是大于或等于

比较指令2：CMN

• CMN Xn, R 伪代码意为：Xn == -R?eq=1:eq=0

CMN是相反数比较，Xn与-R是否一样，一样则置EQ寄存器为1，反之为0.

移位指令：

• LSL向左移位
• LSR向右移位
• ASR算式右移
• ROR循环右移

与运算符：AND

• AND Xd, Xn, Xm 数学含义为：Xd = Xn & Xm

相对加载指令：ADR

• ADR Xd, label 加载label处的程序进入寄存器Xd内，对齐为4Kb

编译过程

一段C语言代码的编译经过如下过程：

• 预处理：将所有使用到的头文件内的方法导入进来，并组成中间文件

gcc -E main.c -o main.i

• 编译：优化中间文件的内容，优化代码并生成汇编代码

gcc -S main.i -o main.s

• 汇编：将汇编代码转化为二进制文件，并进行重定位

as main.s -o main.o

• 链接：将二进制文件转化为可执行文件并导入所有使用到的库

ld -o main main.o -lc

学习过C语言一定知道指针的概念，大家就会发现指针可以指向任何内容，包括函数，所谓函数也是一段在内存中保存的指令区域，一样可以获取到所在的内存地址。

链接器

任何一个可执行程序都不是独立存在并且不依赖其他文件的，所以我们需要进行添加所有依赖的文件，汇编内使用到的指令块为：

SECTIONS
{
	.=链接起点地址
	.text: { *{.text}} # 输出文件由输入文件决定
	.=重新指向链接的地址
	.data: { *{.data}} # 程序起点
	.bss: { *{.bss}} # 数据段构成
}

程序的第一条指令叫做入口点

ENTRY(symbol)

对于C语言，symbol就是main函数的内存地址。对于SECTION而言它可以写的格式如下：

SECTION 虚拟地址 对齐要求
输出段属性
{
	描述输入如何映射到输出段
}特定的内存空间 特定的程序段

之所以结合C语言是因为C语言可以内嵌汇编指令也就是：

int add(int a, int b){
    int res = 0;
    asm volatile(
        // ADD指令，%w为获取对应地址段
        "add %w[result], %w[num1], %w[num2]"
        // 填充其中的变量，"=r"是为了获取函数自定义的变量res
        : [result] = "=r" (res)
        // "r" 为函数的参数
        : [num1] "r" (a), [num2] "r" (b)
	);
    return res;
}

我们甚至可以用汇编高效的完成交换算法：

void swap(unsigned char* src, unsigned char* dst, unsigned int size){
    unsigned int len = 0;
    unsigned int tmp;
    asm volatile(
    	"1: ldeh w5, [%[src]]], #2 \n"
        "lsl w6, w5, #8 \n"
        "orr %w[tmp, [%[dst]]], #w \n"
        "strh %w[tmp], [%[dst]]], #2 \n"
        "add %[len], %[len], #2 \n"
        "cmp %[len], %[size] \n"
        "bne 1b \n"
        : [dst] "+r"(dst), [len] "+r"(len), [tmp] "+r"(tmp), [src] "+r"(src)
        : [size] "r" (size)
        : "memory", "w5", "w6"
    );
}

其中的W为高位寄存器，可以跳到基本寄存器部分查看。

异常与中断

中断有两种，普通中断IRQ和快速中断FIQ，其中FIQ的优先级高于IRQ。异常有4个等级分别为：EL0、EL1、EL2、EL3.

• EL0：非特权模式，用于运行程序
• EL1：特权模式，用于运行系统内核
• EL2：用于运行虚拟化任务
• EL3：用于运行安全世界的管理程序

安全世界TrustZone：https://blog.csdn.net/pslyunhai3255/article/details/129229732

寄存器保存的地址就是异常返回的地址，ELR_ELx存放的是异常返回地址，也就是程序段地址。异常存放的位置叫异常向量表：

• NS：值为1表示低于EL3的异常级别处于非安全状态
• IRQ：值为1表示来自低于EL3的异常级别的IRQ会路由到EL3
• FIQ：值为1表示来自低于EL3的异常级别的FIQ会路由到EL3
• EA：值为1表示来自低于EL3的异常级别的外部中止和SError中断会路由到EL3
• RW：值为1表示低于EL3的异常级别都在AArch64执行状态下
• TGE：值为1表示如果系统实现了EL2
• AMO：值为1表示来自低于EL2的异常级别的SError中断会路由到EL2
• IMO：值为1表示来自低于EL2的异常级别的IRQ中断会路由到EL2
• FMO：值为1表示来自低于EL2的异常级别的FIQ会路由到EL2

总结

本期针对ARM的基础部分进行了描述，下一节将会讲解关于CPU的更多细节。