第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节

ARM处理器有37个寄存器,包括31个通用寄存器,和6个状态寄存器。

通用寄存器是31个从x0-x30,31个数量是比较奇怪的,其实还有一个是Zero Register是wzr。如果是使用寄存器中的32位,就是w0-w30了。类型X86中的rax和eax寄存器,一个64位一个32位。

ARM处理器共有7种不同的处理器模式,在每一种处理器模式中有一组响应的寄存器组。

在AArch64时使用X30作为子函数调用时使用的link register

在AArch32时始终使用LR作为link register。

­­­ARM64通用寄存器

后续主要都是ARM64架构了,所以这里以arm64例。

Register

Volatile?

Role

x0

Volatile

Parameter/scratch register 1, result register

x1-x7

Volatile

Parameter/scratch register 2-8

x8-x15

Volatile

Scratch registers

x16-x17

Volatile

Intra-procedure-call scratch registers

x18

Non-volatile

Platform register: in kernel mode, points to KPCR for the current processor; in user mode, points to TEB

x19-x28

Non-volatile

Scratch registers

x29/fp

Non-volatile

Frame pointer

x30/lr

Non-volatile

Link registers

 

 

 

可以通过w0 ~ w30来访问这31个64位寄存器的低32位,写入时会将高32位清零。

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_浮点

ARM64浮点寄存器

也是有32个浮点寄存器。

每个寄存器都可以作为完整的128位值(通过v0-v31或q0-q31)进行访问。 可以以64位值(通过d0-d31),32位值(通过s0-s31),16位值(通过h0-h31)或8位值进行访问 (通过b0-b31)。 小于128位的访问仅访问整个128位寄存器的低位。 除非另有说明,否则它们保持其余位不变。 (AArch64与AArch32不同,在AArch32中,较小的寄存器封装在较大的寄存器的顶部。)

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

Register

Volatile?

Role

v0

Volatile

Parameter/scratch register 1, result register

v1-v7

Volatile

Parameter/scratch registers 2-8

v8-v15

Non-volatile

Scratch registers (only the low 64 bits are non-volatile)

v16-v31

Volatile

Scratch registers

 

浮点控制寄存器

浮点控制寄存器(FPCR)对其中的各个位字段有某些要求:

Bits

Meaning

Volatile?

Role

26

AHP

Non-Volatile

Alternative half-precision control.

25

DN

Non-Volatile

Default NaN mode control.

24

FZ

Non-volatile

Flush-to-zero mode control.

23-22

RMode

Non-volatile

Rounding mode control.

15,12-8

IDE/IXE/etc

Non-Volatile

Exception trap enable bits, must always be 0.

32位浮点寄存器

浮点寄存器的单精度命名为s0至s31,双精度命名为d0至d15。

这些寄存器分为4个存储区:s0–s7(d0–d3),s8–s15(d4–d7),s16–s23(d8–d11)和s24–s31(d12–d15)。

(存储体0,s0–s7,d0–d3)称为标量存储体,而其余三个是矢量存储体

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_通用寄存器_02

VFPv2指令集

Vector Floating-point v2

可以通过软件来实现VFPv2当然相比硬件,其性能会更差。

VFPv2提供了三个控制寄存器,其中一个称为fpscr, 该寄存器与cpsr相似,保留了通常的比较标志N,Z,C和V。它还存储了两个非常有用的字段len和stride。 这两个字段控制浮点指令的行为。

            大多数VFPv2指令的格式为vname Rdest,Rsource1,Rsource2或fname Rdest,Rsource1。 它们具有三种操作模式。

  • 标量。当目标寄存器位于存储区0(s0–s7或d0–d3)中时,使用此模式。在这种情况下,该指令仅对Rsource1和Rsource2起作用。不涉及其他寄存器。
  • 矢量。当目标寄存器和Rsource2(或对于只有一个源寄存器的指令为Rsource1)不在存储区0中时,使用此模式。在这种情况下,指令将操作尽可能多的寄存器(从指令中的给定寄存器开始并环绕fpscr字段len中定义的寄存器组(至少1)。下一个操作的寄存器由fpscr的跨度字段定义(至少1)。如果发生折回,则任何寄存器都不能操作两次。
  • 标量扩展(也称为混合矢量/标量)。如果Rsource2(如果指令只有一个源寄存器,则为Rsource1)位于bank0中,而目的地则不是,则使用此模式。在这种情况下,Rsource2(或对于只有一个源的指令为Rsource1)被固定为源。其余寄存器的操作与矢量情况一样(即使用fpscr的len和stride)。

示例

// 假设len = 4, stride = 2
vadd.f32 s1, s2, s3  /* s1 ← s2 + s3. 标量操作,因为s1在bank 0 */
vadd.f32 s1, s8, s15 /* s1 ← s8 + s15. 同上 */
vadd.f32 s8, s16, s24 /* s8  ← s16 + s24
                      s10 ← s18 + s26
                      s12 ← s20 + s28
                      s14 ← s22 + s30
                      矢量操作{s8,s10,s12,s14} ← {s16,s18,s20,s22} + {s24,s26,s28,s30}因为Rdest and Rsource2 没有在 bank 0
                   */
vadd.f32 s10, s16, s24 /* {s10,s12,s14,s8} ← {s16,s18,s20,s22} + {s24,s26,s28,s30}.*/
vadd.f32 s8, s16, s3 /* {s8,s10,s12,s14} ← {s16,s18,s20,s22} + {s3,s3,s3,s3}标量扩展,因为Rsource2 在bank 0*/

 

Load和store

单精度是:vldr/vstr

加载/存储的地址必须已经在通用寄存器中

vldr s1, [r3]         /* s1 ← *r3 */
vldr s2, [r3, #4]     /* s2 ← *(r3 + 4) */
vldr s3, [r3, #8]     /* s3 ← *(r3 + 8) */
vldr s4, [r3, #12]     /* s4 ← *(r3 + 12) */
 
vstr s10, [r4]        /* *r4 ← s10 */
vstr s11, [r4, #4]     /* *(r4 + 4) ← s11 */
vstr s12, [r4, #8]     /* *(r4 + 8) ← s12 */
vstr s13, [r4, #12]      /* *(r4 + 12) ← s13 */

可以Load/store多个寄存器:

vldm indexing-mode precision Rbase{!}, floating-point-register-set

vstm indexing-mode precision Rbase{!}, floating-point-register-set

vldmias r4, {s3-s8} /* s3 ← *r4
                       s4 ← *(r4 + 4)
                       s5 ← *(r4 + 8)
                       s6 ← *(r4 + 12)
                       s7 ← *(r4 + 16)
                       s8 ← *(r4 + 20)
                     其中i表示increase,a表示after,s表示单精度*/
vldmias r4!, {s3-s8} /* Like the previous instruction
                        最后r4 ← r4 + 24 ,r4会指向最后一个值。
                      */
vstmdbs r5!, {s12-s13} /*  *(r5 - 4 * 1) ← s12
                           *(r5 - 4 * 2) ← s13
                           r5 ← r5 - 4*2
                       */

32位中还有vpush

vpush {s0-s5} /* Equivalent to vstmdb sp!, {s0-s5} */
vpop {s0-s5}  /* Equivalent to vldmia sp!, {s0-s5} */

 

寄存器间移动

指令是vmov.

在一个通用寄存器和一个单精度寄存器之间vmov,数据不会转换。 只有位会被复制,因此不要将浮点值与整数指令混合使用,反之亦然。

vmov d3, r4, r6  /* Lower32BitsOf(d3) ← r4
                    Higher32BitsOf(d3) ← r6
                 */
vmov r5, r7, d4 /* r5 ← Lower32BitsOf(d4)
                   r7 ← Higher32BitsOf(d4)
                 */

 

转化

单精度转换为整型的时候丢失精度是必然的的,是多少问题。

指令:

vcvt

两个寄存器都必须是浮点寄存器。浮点寄存器将包含一个不是IEEE 754值的值。

vcvt.f64.f32 d0, s0  /* 单精度s0 为双精度,并保存到d0 */
vcvt.f32.f64 s0, d0  /*双精度d0 为单精度s0,并保存到s0*/
 
vmov s0, r0          /* 从通用寄存器 r0 到浮点寄存器s0 */
vcvt.f32.s32 s0, s0  /* 将符号整型s0 为单精度并保存到s0 */
vmov s0, r0          /*从通用寄存器 r0 到浮点寄存器s0 */
vcvt.f32.u32 s0, s0  /*将无符号整型s0 为单精度并保存到s0 */
 
vmov s0, r0          /*从通用寄存器 r0 到浮点寄存器s0 */
vcvt.f64.s32 d0, s0  /*将符号整型s0 为双精度并保存到d0 */
vmov s0, r0          /*从通用寄存器 r0 到浮点寄存器s0 */
vcvt.f64.u32 d0, s0  /*将无符号整型s0 为双精度并保存到d0 */

 

修改fpscr

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_双精度_03

设置了len和stride的特殊寄存器fpscr无法直接修改。

必须使用vmrs指令将fpscr加载到通用寄存器中。 然后使用vmsr指令对寄存器进行操作,并将其移回fpscr。

len的值存储在fpscr的第16至18位中。 len的值不直接存储在这些位中。这是因为len不能为0(操作0个浮点数没有意义)。 这样,这些位中的值000表示len = 1,001表示len = 2,…,111表示len =8。以下是将len设置为8的代码。

/* Set the len field of fpscr to be 8 (bits: 111) */
mov r5, #7                     /* r5 ← 7. 7 is 111 in binary */
mov r5, r5, LSL #16                   /* r5 ← r5 << 16 */
vmrs r4, fpscr                        /* r4 ← fpscr */
orr r4, r4, r5                    /* r4 ← r4 | r5. Bitwise OR */
vmsr fpscr, r4                        /* fpscr ← r4 */

stride存储在fpscr的20至21位中。 与len相似,这些位中的值00表示1,01表示 2,10表示 3,11表示 4。

 

https://developer.arm.com/docs/ddi0595/d/aarch32-system-registers/fpscr

该寄存器中的命名字段映射到AArch64 FPCR和FPSR中的等效字段。

寄存器FPEXC中,EN表示NEON和VFP是否使能。清零是关闭

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_单精度_04

要使能,将EN置1。

 

函数调用约定和浮点寄存器

  • fpscr的len和stride字段的所有位在函数输入时均为零,离开时这些位必须为零。
  • 可以使用寄存器s0–s15和d0–d7传递浮点参数。 请注意,在单精度之后传递双精度可能涉及丢弃奇数单精度寄存器(例如,可以使用s0和d1,但请注意,s1将不被使用)。
  • 所有其他浮点寄存器(s16-s31和d8-d15)在退出功能时必须保留其值。 可以使用vpush和vpop指令。
  • 如果函数返回浮点值,则返回寄存器将为s0或d0。

注意有关可变参数函数(例如printf):不能将单精度浮点传递给此类函数之一。 只能通过双精度。 需要将单精度值转换为双精度值。 还要注意,通常使用整数寄存器(r0–r3),因此您最多只能传递2个双精度值,其余的必须在堆栈上传递。 特别是对于printf,因为r0包含字符串格式的地址,所以您只能在{r2,r3}中传递双精度。

 

编译

要将标志-mfpu = vfpv2传递给as,否则将无法识别VFPv2指令。

 

浮点和整数传输

VMRS/VMSR在ARM寄存器与NEON和VFP系统寄存器之间传输内容。

fmrx/fmxr在ARM寄存器和VFP系统寄存器之间传输内容。

Fmrs/fmsr 在ARM寄存器和浮点寄存器之间传输内容。

 

ARM64系统寄存器

与AArch32一样,AArch64规范提供了三个系统控制的“线程ID”寄存器:

Register

Role

TPIDR_EL0

Reserved.

TPIDRRO_EL0

Contains CPU number for current processor.

TPIDR_EL1

Points to KPCR structure for current processor.

程序计数器

pc,保存着当前CPU执行指令的地址。不能用作算数指令的源或目的地以及用作加载或存储指令。

堆栈指针

sp,即x31,指向堆栈的顶部。sp不能被大多数指令引用, 但一些算术指令,例如ADD指令,可以读写当前的堆栈指针来调整函数中的堆栈指针。每个异常级别都有一个专用的SP寄存器。

fp,即x29,帧指针,指向当前frame的栈底,也就是高地址。

链接寄存器

lr,即x30,存储着函数的返回地址。

程序状态寄存器

在汇编中通过状态寄存器来控制分支的执行。

cpsr:与其他寄存器不太一样,其他寄存器用来存储数据的,但是这个寄存器是,按位起作用的,每一位都有专门的含义。

spsr:当发生异常时,cpsr会存入spsr直到异常恢复再复制回cpsr。

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_通用寄存器_05

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_双精度_06

特殊寄存器

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_单精度_07

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_双精度_08

运行模式

ARM处理器支持7种运行模式,分别是:

  • 用户模式(usr):ARM处理器正常的程序运行状态。
  • 快速中断模式(flq):用于高速数据传输或通道处理。
  • 外部中断模式(irq):用于通用的中断处理。
  • 管理模式(svc):操作系统使用的保护模式。
  • 数据访问终止模式(abt):当数据或指令预取终止时进入该模式,可用于虚拟存储以及存储保护。
  • 系统模式(sys):运行具有特短的操作系统任务。
  • 未定义指令终止模式(und):当未定义的指令执行时进入该模式。

各种处理器模式下的,通用寄存器

第5部分- Linux ARM汇编 ARM 架构细节_单精度_09

还有两个工作模式:

hyp:用于虚拟化扩展。

monitor:用于Security扩展。

 

工作状态

ARM状态:执行32位字对齐的ARM指令。

Thumb状态:执行16位字对齐的ARM指令。

Thumb状态下的寄存器的命名与ARM有部分差异,它们的对应关系如下所示:

Thumb状态下的R0~R7与ARM状态下的R0~R7相同。

Thumb状态下的CPSR与ARM状态下的CPSR相同。

Thumb状态下的FP与ARM状态下的R11相同。

Thumb状态下的IP与ARM状态下的R12相同。

Thumb状态下的SP与ARM状态下的R13相同。

Thumb状态下的LR与ARM状态下的R14相同。

Thumb状态下的PC与ARM状态下的R15相同。

 

程序状态寄存器

CPSR(当前程序状态寄存器)可以在任何处理器模式下被访问。

 

非对齐的存储访问操作

如果写入到寄存器PC中的值是非字对齐的,要么指令执行的结果不可预知,要么地址值中最低两位被忽略。