ARMv8指令集架构

系列上篇：ARMv8寄存器组

系统寄存器

数据处理或加载/存储指令不能直接使用系统寄存器。相反，需要将系统寄存器的内容读入寄存器X，对其进行操作，然后写回系统寄存器。有两个用于访问系统寄存器的专用指令：
MRS Xd, 将系统寄存器读入Xd.
MSR , Xn 写入Xn系统寄存器。
系统寄存器由名称指定，例如SCTLR_EL1：MRS X0, SCTLR_EL1 读SCTLR_EL1入X0.
系统寄存器名称以_ELx. 指定_ELx访问寄存器所需的最低权限。

数据处理汇编指令

算术和逻辑运算

逻辑和整数算术指令的基本格式如下图所示。
指令的组成部分如下：

• operation定义了指令的功能。例如，ADD执行加法，AND执行逻辑与。可以在操作中添加S来设置标志。例如，ADD变成ADDS，这个S告诉处理器根据指令的结果更新ALU标志。
• Destination是指令的目的地，它总是一个寄存器，指定了操作结果应放在的位置。大多数指令只有一个目的寄存器。一些指令有两个目的寄存器。当目的寄存器是W寄存器时，对应的X寄存器的高32位被置为0。
• 操作数(operand) 1始终是寄存器。这是指令的第一个输入。
• 操作数(operand) 2是一个寄存器或常量，它是指令的第二个输入。当操作数2是一个寄存器时，它可以包含一个shift。当操作数2是一个常量时，它被编码在指令本身内。这意味着可用常数的范围是有限的。

有一些特殊情况，例如MOV和MVN指令。MOV将一个常量或另一个寄存器的内容移动到目标寄存器中。MOV和MVN只需要一个输入操作数，可以是寄存器，也可以是常量，如下所示：
MOV X0, #1 将通用寄存器X0的值设为1。
MVN W0, W1将通用寄存器W0的值设为~W1。

浮点数

浮点操作遵循与整数数据处理指令相同的格式，并使用浮点寄存器。与整数数据处理指令一样，操作的大小决定了所使用的寄存器的大小。浮点指令的operation总是以F开头。例如下面这个指令设置半精度的H0 = H1 / H2：
FDIV H0, H1, H2
下面这个指令设置单精度的S0 = S1 + S2：
FADD S0, S1, S2
下面这个指令设置双精度的D0 = D1 - D2：
FSUB D0, D1, D2

使用FMOV复制寄存器之间的文字位模式。还有一些指令可以转换为最接近的表示，如下图所示：

图 1. EMOV 示例

在此示例中，假设X0包含值 2（正整数 2）：X0 = 0x0000_0000_0000_0002
然后，执行以下序列：
FMOV D0, X0
SCVTF D1, X0
两条指令都“复制”X0到D寄存器中。然而，结果却截然不同：
D0 = 0x0000_0000_0000_0002 = 9.88131e-324
D1 = 0x4000_0000_0000_0002 = 2.0
复制FMOV的文字位模式，当解释为浮点值时，这是一个非常不同的值。将SCVTF值转换X0为最接近的浮点等效值。
同样，FCVTxx可用于将浮点值转换为其最接近的整数表示形式（即转换成2）。

位运算

有一组指令用于操作寄存器内的位。下图为示例：

BFI指令在寄存器中插入一个位域。在上图中，BFI从源寄存器（W0）中获取一个6-bit字段，并将其插入到目标寄存器的第9位。
UBFX提取一个位域。在上图中，UBFX从源寄存器的第18位获取一个7位字段，并将其放入目标寄存器中。
其他指令可以反转字节或位顺序，如下图所示：

加载和存储LDR/STR指令详解

LDR指令是把内存地址

中的数据加载到指定的通用寄存器中；STR指令是把通用寄存器中的数据存储到内存地址

中。
其中，有两个可选指令标志，sign和size

Size

Size表示允许处理数据长度，有X和W两种。X表示64位，W表示32位。
下面这条指令从地址中load 32位到W0： LDR W0, [

]
下面这条指令从地址中load 64位到X0： LDR X0, [

]
Size字段允许load子寄存器大小的数据量。
下面这条指令将W0的底部字节(B 8位)存储到地址：STRB W0, [

]
下面这条指令将W0的底部半字(H 16位)存储到地址：STRH W0, [

]
最后这条指令将X0的底部字(W 32位)存储到地址： STRW X0, [

]

Sign

当只加载部分寄存器值时，其余部分默认是零扩展。Sign表示按照加载值的最高位扩展

如果地址0x8000的字节包含值0x1F，那么LDRSB X4的结果将是什么?
LDRSB执行一个带符号扩展到64位的byte load。load值的最高有效位将被复制以填充64位寄存器。load的值0x1F的最高位是空的。因此X4中的值为0x0000_0000_0000_001F。

寻址

A64的load/store寻址模式有以下几种：

基址寄存器模式

最简单的寻址形式是单个寄存器。基址寄存器是一个X寄存器，它包含被访问数据的完整的或绝对的虚拟地址，如下图所示，LDR指令把X1寄存器中的值作为内存地址，读出其中的数值到W0寄存器中。

偏移量寻址模式

如下图所示。X1包含基址，#12是基址的字节偏移量。访问的地址是X1 + 12。偏移量可以是一个常量，也可以是另一个寄存器。例如，这种类型的寻址可能用于结构体。只需维护一个指向结构体基地址的指针，便可通过不同的偏移量来选择不同的成员。
只能以立即数的形式提供offset

预索引（Pre-index）寻址模式：

索引模式一共有两种变体：预索引模式（pre-index），该变体在访问内存前先进行移位操作（修改基寄存器的值）；另一种变体是后索引模式（post-index）,该变体在访问内存后才修改基寄存器的值。在指令语法中，在方括号后边添加感叹号来表示预索引模式，

如下图所示。预索引寻址类似于偏移寻址，不同之处在于base pointer会随着指令的执行而更新。图中，先把X1中的内存地址加上偏移量12，存入X1，然后存入W0。指令完成后X1的值为X1 + 12。

后索引（Post-index）寻址模式

使用后索引寻址，从基指针中的地址加载值，然后更新指针。
如下图，LDR先把X1内存地址的值加载到W0，然后把内存地址偏移12，新的内存地址存入X1。后索引寻址对于出栈很有用。该指令从堆栈指针所指向的位置加载值，然后将堆栈指针移动到堆栈中的下一个完整位置。

load pair和store pair

除了单个寄存器的load和store，A64指令集还有load pair（LDP）和store pair（STP）指令。这些成对指令将两个寄存器从存储器中传入和传出。
第一条指令将[X0]加载到W3，并将[X0 + 4]（按字长度增加）加载到W7：LDP W3, W7， [X0]。
load pair和store pair指令通常用于栈的压入和弹出。
第一条指令将X0和X1压入堆栈： STP X0, X1， [SP， #-16]!
第二条指令从堆栈中弹出X0和X1： LDP X0, X1， [SP]， #16
记住，在AArch64中，堆栈指针SP必须是128位对齐的。

相对寻址

相对寻址以程序计数器PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加之后得到操作数的有效地址。寻址方式基于当前PC，因此是地址无关操作

说明1：PC-relative modes寻址方式基于当前PC，因此是地址无关操作
说明2：A64指令集引入PC-relative modes寻址模式是因为在A64指令集中，PC不再是通用寄存器，不能直接访问。在ARMv7体系结构中，PC属于通用寄存器，可以直接将PC作为基址寄存器。PC-relative modes寻址方式达到了同样的效果
说明3：标号（label）本质上是一个数值，即符号地址（链接地址），相当于PC+编码偏移值=label（目标地址）（具体在编码中可体现），并且默认情况下，标号只在定义它的源文件中可见
说明4：根据不同的寻址模式，以及提供offset的不同方式，LDR / STR指令有不同的编码方式

Offset

根据不同的编码格式，偏移量有三种：
LDR/STR中的偏移量和其他指令中的立即数还不是完全一样

ARM汇编指令编码

指令语法格式

所有的ARM指令都是32 bits固定长度
一条ARM指令语法格式分为如下几个部分：
{cond}{S},,<shifter_operand>
其中，<>内的项是必须的，{}内的项是可选的，
opcode：指令助记符，如ADD、SUB、MOV等；
cond：条件码助记符，如EQ(0000)、NE(0001)、AL(1110)**(无条件执行)**等；
S：如果指令有S后缀，则该指令的操作会影响CPSR的值；
Rd：目标寄存器；
Rn：包含第一个源操作数的寄存器；
shifter_operand：表示第二个源操作数，可以为寄存器或立即数。例如：1-- 立即数 add r1,r2,#10 ； 2-- 寄存器 addeqs r1,r2,r3 @ r1=r2+r3 ； 3-- 寄存器移位 add r1,r2,r3,LSL #2 @ r1 = r2 +r3*4）

立即数编码格式

• immed_8：8 位的常数
• rotate_imm：4 位的循环右移值

举例：

上面两个立即数，编码后，前12位别是：
**1101 0100 0000 **
1000 1111 1111

从上面可以看出，并不是所有整数都是立即数。
立即数有一些比较明显的判断特征：
(1) 首先将数据转换成二进制形式。
(2) 如果1的个数大于8，则一定不是立即数。
(3) 如果最高和最低位的1之间有超过24个0，则一定不是立即数。
(4) 掐头去尾，分别去掉最高和最低位的1两侧最大偶数个0，如果剩下的位数仍然大于8，则一定不是立即数。
比如：mov r0, # 0x4FF @不是立即数报错Error: invalid constant (101) after fixup
第一步：0100 1111 1111
第二步：其中1的个数是9个，大于8个，判定不是立即数

所以，我们在ARM汇编中如何规避立即数这个问题呢? 其实可以使用ARM汇编LDR伪指令，例如直接把MOV指令变为， LDR R1，=0x12345678这样编译器就不会报错了。但这种方法也有弊端会增加开销和影响执行效率。同时ARM汇编中还有有效数的概念，比如 MOV R1,#0xFFFFFFFF 指令中 0xFFFFFFFF 不是立即数，但是是有效数，编译器最自动把原指令变换为 MVN R1,#0，也不会报错。有效数判定：原数是立即数或者原数反码是立即数

LDR / STR指令编码

因为每个指令的编码都不太一样，记住所有指令编码不太可能，也没有必要。看懂一种指令的编码，基本也就能触类旁通了。所以就以LDR/STR指令为例。
此处指令编码方式与寻址方式的对应关系如下，
虽然指令的编码方式不同，但是均使用STR / LDR助记符，从而减轻了程序员的负担

immediate指令编码

LDR（immediate）指令编码

Post-index编码

1. size字段表示指令的32位形式还是64位形式，10->32位，11->64位
2. imm9字段表示有符号立即数signed offset，取值范围为-256 ~ 255

例如：

Pre-index编码

同理，不做赘述

Unsigned offset偏移量模式编码

对于32位形式，表示0 ~ 16380之间的4的倍数，此时imm12字段被编码为 / 4，默认值为0。positive imm12的取值范围为0 ~ 4095，以4为倍数，则可表示的取值范围为0 ~ 16380
对于64位形式，表示0 ~ 32760之间的8的倍数

例如：

注意：

对于上面两条指令，offset并不满足ldr编码规则。第一种是负数，第二种不是8的倍数。
但实际都可以编译通过，因为在编译过程中其被替换成

LDUR偏移量范围是-256~256

LDUR编码格式

register pair (offset)

可以看到，offset范围更小，0~127

实验：使用ldr / str指令实现memcpy函数

说明：b.cc执行条件码
① b.cc执行的条件码CC，也就是PSTATE寄存器中的C标志位没有被置位
② 对于SUBS指令（CMP指令通过SUBS指令实现），当没有发生算术运算借位（相当于x1-x2）时，C标志位为1；当发生算术运算借位时，C标志位为0
所以，对于条件码CC， 如果x1 < x2, c标志位为0，否则为1.
B通过检查标志位来决定是否跳转

STR（immediate）指令编码

STR（immediate）的指令编码方式与LDR（immediate）类似，各字段编码方式相同，此处不再赘述

Register 指令编码

LDR（register）指令编码

Xt：Rt，64位目的寄存器
Xn：Rn，基址寄存器
Rm：提供偏移量寄存器
：为扩展或移位标识符，编码在option字段，共有如下4种，
字段的默认值为LSL，但是当指令中省略字段时，LSL也会被忽略

: 移位量，可选，当＜extend＞不是LSL时默认为#0，
② 对于32位形式，取值为0（默认值）或2（S=1）
②对于64位形式，取值为0（默认值）或3（S=1）

举例：

注意

根据手册，64位形式中，合法的移位值只有0和3。编译如下移位值不合法的指令，

编译会报出移位值无效错误

Literal 指令编码

LDR（literal）指令编码

1. 字段是程序中的一个标号（本质上是一个符号链接地址），被编码在imm19字段
2. 编码到imm19中的内容，为标号到当前PC的偏移量
3. 编码时以4B为单位，因此imm19可取值的范围为2^(19 + 2) = 2^21，体现在偏移量上就是±1MB
4. 最终是从[PC + imm19编码的偏移量]处加载值到目标寄存器中

举例：

Ldr编码格式
① 当执行到ldr指令时，将PC – 4（imm19）（越过mov指令），即可得到PC-relative的label地址
② 而且确实可以看出，PC-relative寻址是地址无关操作

LDR伪指令

LDR伪指令主要用于加载立即数，
① 当要加载的立即数可以由MOV等指令编码时，则被编译为MOV等指令
② 当要加载的立即数不能由MOV等指令编码时，则使用literal pool实现

举例：

此处被编译为LDR（literal）指令（将label的链接地址编码进imm19），加载到x0寄存器中的是label的链接地址。之所以使用ldr伪指令是因为不能使用MOV指令将label的地址存进x0.
还有一种即想存的常数不是立即数，因为不满足立即数编码格式，此时可以使用ldr伪指令将此常数编码进imm19中