【arm】arm架構64位入門基礎：架構分析、寄存器、調用規則、指令集、程序調試以及參考手冊

Date： 2018.8.21

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1、參考

https://developer.arm.com/products/architecture/instruction-sets
https://developer.arm.com/docs/ddi0487/a

2、ARM64位架構分析

ARM64位采用ARMv8架構，64位操作長度，對應處理器有Cortex-A53、Cortex-A57、Cortex-A73、iphones的A7和A8等。

AARCH64是全新32位固定長度指令集，支持64位操作數的新指令，大多數指令可以具有32位或64位參數。

ARM64位架構有兩種主要的執行狀態：

1. AArch64 ——64 位執行狀態，包括該狀態的異常模型、內存模型、程序員模型和指令集支持
2. AArch32 ——32 位執行狀態，包括該狀態的異常模型、內存模型、程序員模型和指令集支持

這些執行狀態支持三個主要指令集：

1. A32（或 ARM）：32 位固定長度指令集，通過不同架構變體增強部分 32 位架構執行環境現在稱為 AArch32。
2. T32 (Thumb) 是以 16 位固定長度指令集的形式引入的，隨后在引入 Thumb-2 技術時增強為 16 位和 32 位混合長度指令集。部分 32 位架構執行環境現在稱為 AArch32。
3. A64：提供與 ARM 和 Thumb 指令集類似功能的 32 位固定長度指令集。隨 ARMv8-A 一起引入，它是一種 全新的AArch64 指令集。
   ARM ISA 不斷改進，以滿足前沿應用程序開發人員日益增長的要求，同時保留了必要的向后兼容性，以保護軟件開發投資。在 ARMv8-A 中，對 A32 和 T32 進行了一些增補，以保持與 A64 指令集一致。

3、ARM64位寄存器

主要包括64位下的ARM寄存器和NEON寄存器。
ARM架構64位寄存器：
31個通用寄存器X0~X30,以及SP（x31）和PC，共33個。其中W0~W31分別是X0~X31的低32位，如下圖所示：

64位下通用寄存器關系圖

ARM64位參數調用規則遵循AAPCS64，規定堆棧為滿遞減堆棧。
寄存器調用規則如下：

• X0~X7：用於傳遞子程序參數和結果，使用時不需要保存，多余參數采用堆棧傳遞，64位返回結果采用X0表示，128位返回結果采用X1:X0表示。
• X8：用於保存子程序返回地址， 盡量不要使用 。
• X9~X15：臨時寄存器，使用時不需要保存。
• X16~X17：子程序內部調用寄存器，使用時不需要保存，盡量不要使用。
• X18：平台寄存器，它的使用與平台相關，盡量不要使用。
• X19~X28：臨時寄存器，使用時必須保存。
• X29：幀指針寄存器，用於連接棧幀，使用時需要保存。
• X30：鏈接寄存器LR
• X31：堆棧指針寄存器SP或零寄存器ZXR

注意：
子程序調用時必須要保存的寄存器：X19~X29和SP(X31)。
不需要保存的寄存器：X0~X7,X9~X15

64位下NEON寄存器：

• 32個B寄存器（B0~B31）,8bit
• 32個H寄存器（H0~H31）,半字 16bit
• 32個S寄存器（S0~S31）,單子 32bit
• 32個D寄存器（D0~D31）,雙字 64bit
• 32個Q寄存器（V0~V31）,四字 128bit

不同位數下寄存器之間的關系如下圖所示：

其中S0是D0的低半部分，D0是V0的低半部分 。

注意：
64位下NEON寄存器與32位下NEON寄存器之間的關系不同！
neon寄存器 v0~v31使用說明：
v0~v7:用於參數傳遞和返回值，子程序不需要保存；
v8~v15:子程序調用時必須入棧保存（低64位）；
v16~v31:子程序使用時不需要保存。
具體可參考：
http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0055b/IHI0055B_aapcs64.pdf 5.1.2 SIMD and Floating-Point Registers

4、ARM64位指令集A64以及參考手冊

ARMv8-a指令集參考手冊：
https://developer.arm.com/docs/ddi0487/a
https://static.docs.arm.com/ddi0487/a/DDI0487A_j_armv8_arm.pdf（官方標准手冊）
https://developer.arm.com/products/architecture/cpu-architecture/a-profile/docs/den0024/latest/porting-to-a64
https://community.arm.com/processors/b/blog/posts/porting-to-arm-64-bit
https://www.element14.com/community/servlet/JiveServlet/previewBody/41836-102-1-229511/ARM.Reference_Manual.pdf（指令集對比手冊）
http://profsite.um.ac.ir/~shoraka/ARMInstructionSet.pdf
http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0055b/IHI0055B_aapcs64.pdf
http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0056c/IHI0056C_beta_aaelf64.pdf
http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.den0024a/DEN0024A_v8_architecture_PG.pdf（Programmer’s Guide）

5、ARM64位程序調試

方法一: 直接打印數據

ARM64位下打印數據的方法：
(1). 打印V寄存器：

mov		w0,	v0.s[0]
mov		w1,	v0.s[1]
mov		w2,	v0.s[2]
mov		w3,	v0.s[3]
bl		_print

(2). 打印V寄存器的低64位：

mov		w0,	v2.s[0]
mov		w1,	v2.s[1]
bl		_print

(3). 打印w寄存器

mov		w0,	w12
mov		w1,	w3
bl		_print

其中print函數的定義如下：

void print(int a, int b, int c, int d)
{
	printf("%08x %08x %08x %08x\n",a,b,c,d);
}

(4).將V寄存器打印到內存的方法

.macro printf_m in1=x0, in2=x1
	st1  {\in2\().2D}, [\in1\()]
	mov  x0,  \in1
	bl     cprintf
.endm

cprintf定義如下：

void cprint(unsigned char *src8)
{
 signed char* srcs8 = (signed char*)src8;
 short* srcs16 = (short*)src8;
 unsigned short* srcu16 = (unsigned short*)src8;
 int* srcs32 = (int*)src8;
 
 printf("u8:\n");
 for(int i=0; i < 16; i++)
  {
   printf("%d", src8[i]); 
  }
   printf("s8:\n");
 for(int i=0; i < 16; i++)
  {
   printf("%d", srcs8[i]); 
  }
   printf("u16:\n");
   for(int i=0; i < 8; i++)
  {
   printf("%d", srcu16[i]); 
  }
     printf("s16:\n");
   for(int i=0; i < 8; i++)
  {
   printf("%d", srcs16[i]); 
  }
  printf("s32:\n");
   for(int i=0; i < 4; i++)
  {
   printf("%d", srcs32[i]); 
  }
}

方法二: GDB調試
詳細調試方法可以參考：GDB調試方法
對於neon寄存器入棧：

.macro push_v_regs
    stp    d8,  d9,  [sp, #-16]!
    stp    d10, d11, [sp, #-16]!
    stp    d12, d13, [sp, #-16]!
    stp    d14, d15, [sp, #-16]!
.endm
.macro pop_v_regs
    ldp    d14, d15, [sp], #16
    ldp    d12, d13, [sp], #16
    ldp    d10, d11, [sp], #16
    ldp    d8,  d9,  [sp], #16
.endm

至於要用的是v8~v15寄存器，為什么成了壓d8~d15？ 具體原因可以參考：http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0055b/IHI0055B_aapcs64.pdf 5.1.2小節 SIMD and Floating-Point Registers

Registers v8-v15 must be preserved by a callee across subroutine calls; the remaining registers (v0-v7, v16-v31) do not need to be preserved (or should be preserved by the caller). Additionally, only the bottom 64-bits of each value stored in v8-v15 need to be preserved; it is the responsibility of the caller to preserve larger values.

在采用gdb調試程序時遇到以下兩個問題：

問題一：在對v寄存器(v8~v15)入棧后，采用gdb調試會出現下面的問題：

/build/gdb-qLNsm9/gdb-7.11.1/gdb/aarch64-tdep.c:334: internal-error: aarch64_analyze_prologue: Assertion inst.operands[0].type == AACH64_OPAND_Rt failed.

解決方案：
　　通過分析可知，在對neon寄存器（v8~v15）進行入棧后采用gdb調試會出現報錯，無法實現在存在對neon寄存器入棧的匯編代碼進行gdb調試。這是當前gdb版本7.11.1存在的堆棧問題，是屬於gdb本身存在的bug，可以通過升級gdb版本實現調試。
　　另外可以采用st1，ld1對SP存取數據的方式進行臨時替換，當然該方案僅用於調試，通過測試可知，采用該方式替代stp,ldp入棧出棧后子程序可以得到正確的結果，並且不會影響調用者中的值。對於這點尚存在疑問？

關於采用st1,ld1方式入棧出棧的說明：
單獨采用st1，ld1方式進行入棧出棧，測試可知不會影響調用者中的值。
采用st1,ld1方式進行入棧出棧，中間存在大量匯編代碼，進行測試可知：可能會影響調用者的值。打印輸出時間信息為0，不能正常顯示調用者的值，但是子程序可以得到正確的值。

.macro push_v_regs_d
sub		sp,	sp,	#128
st1		{v8.8H, v9.8H}, [sp],   #32
st1		{v10.8H, v11.8H}, [sp], #32
st1		{v12.8H, v13.8H}, [sp], #32
st1		{v14.8H, v15.8H}, [sp]
.endm

.macro pop_v_regs_d
ld1		{v14.8H, v15.8H}, [sp]
sub		sp,	sp,		#32
ld1		{v12.8H, v13.8H}, [sp]
sub		sp,	sp,		#32
ld1		{v10.8H, v11.8H}, [sp]
sub		sp,	sp,		#32
ld1		{v8.8H, v9.8H}, [sp]
add		sp,	sp,		#128
.endm

關於SP入棧、出棧更多可參考：

1. https://community.arm.com/processors/b/blog/posts/using-the-stack-in-aarch64-implementing-push-and-pop
2. https://community.arm.com/processors/b/blog/posts/using-the-stack-in-aarch32-and-aarch64
3. https://stackoverflow.com/questions/40271180/push-and-pop-a-full-128-bit-neon-register-to-from-the-stack-in-aarch64

問題二：程序出現 segmention fault后，采用gdb調試
可能原因分析：
1、段錯誤一般是由於堆棧被破環，在存取數據時引起SIGSEGV crash，通常是由於內存讀寫越界導致。關於SIGSEGV的解釋可以詳見SIGSEGV與SIGBUS的區別分析。
2、堆棧可能是正確的，但是在存取數據時訪問的地址不對（即指針所對應的地址是無效地址，沒有物理內存對應該地址），造成訪問越界引起crash，比如含有指針地址的函數聲明與函數實現不一致會引起段錯誤。（2018.9.25 調試svac2dec庫總結經驗）

6、IOS64和ARM64的參數傳遞差異和編譯差異

（1）ARM64參數入棧都要保證8字節對齊，跟數據類型無關，而IOS64的參數入棧跟數據類型有關；
（2）ARM64參數傳遞是成對傳遞的，比如(x0,x1),(x2,x3)等，而IOS64的參數傳遞並不應遵守這一准則；
（3）ARM和IOS編譯的差別：
ARM在Linux下編譯gcc早期版本函數名前需要添加下划線，目前最新版本的gcc（4.4.7）不需要添加，這與gcc編譯版本相關；
IOS平台下編譯都需要添加下划線：“_”。

7、ARM64位加載和存儲數據的幾種格式

ld1 {v20.8H, v21.8H}, [x1]  @ 從x1指向的存儲單元位置一次性加載128*2位數據到v20和v21中
ld1 {v1.8B},	[x1],	x2  @ 從x1指向的存儲單元位置加載64位數據到v1的低64位中，然后x1=x1+x2
ld1	{v18.S}[0],	[x0],	x1  @ 將x0地址里面的數據取32位加載到v18的最低32位，然后x0=x0+x1
ld1r {v30.8H},	[x1]		@ 從x1地址中以16位為單位取128位加載到v30中。

st1	{v30.8H},	[x1],	#16	@ 將 寄存器v30中128位數據存儲到x1地址處，然后x1=x1+16
st1	{v0.S}[0],	[x0],	x2	@ 將 寄存器v0的低32位數據存儲到x0地址處嗎，然后x0=x0+x2

8、ARM64位下程序注釋

在ARM32位下，單行注釋采用@或者//，多行注釋可以采用/**/；
在ARM64位下，單行注釋采用//，多行注釋采用/* */；
因此為了程序注釋的統一，建議在ARM32位和ARM64位程序中注釋都采用//的格式。

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THE END!