arm架构64位入门基础：架构分析、寄存器、调用规则、指令集以及参考手册

1、参考

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

2、ARM64位架构分析

ARM64位采用ARMv8架构，64位操作长度，对应处理器有Cortex-A53、Cortex-A57、Cortex-A73、iphones的A7和A8等。

AARCH64是全新32位固定长度指令集，支持64位操作数的新指令，大多数指令可以具有32位或64位参数。

ARM64位架构有两种主要的执行状态：

AArch64 ——64 位执行状态，包括该状态的异常模型、内存模型、程序员模型和指令集支持
AArch32 ——32 位执行状态，包括该状态的异常模型、内存模型、程序员模型和指令集支持

这些执行状态支持三个主要指令集：

A32（或 ARM）：32 位固定长度指令集，通过不同架构变体增强部分 32 位架构执行环境现在称为 AArch32。
T32 (Thumb) 是以 16 位固定长度指令集的形式引入的，随后在引入 Thumb-2 技术时增强为 16 位和 32 位混合长度指令集。部分 32 位架构执行环境现在称为 AArch32。
A64：提供与 ARM 和 Thumb 指令集类似功能的 32 位固定长度指令集。随 ARMv8-A 一起引入，它是一种全新的AArch64 指令集。
ARM ISA 不断改进，以满足前沿应用程序开发人员日益增长的要求，同时保留了必要的向后兼容性，以保护软件开发投资。在 ARMv8-A 中，对 A32 和 T32 进行了一些增补，以保持与 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架构64位寄存器：
31个通用寄存器X0~X30,以及SP（x31）和PC，共33个。其中W0~W31分别是X0~X31的低32位，如下图所示：
这里写图片描述
64位下通用寄存器关系图

ARM64位参数调用规则遵循AAPCS64，规定堆栈为满递减堆栈。
寄存器调用规则如下：
- X0~X7：用于传递子程序参数和结果，使用时不需要保存，多余参数采用堆栈传递，64位返回结果采用X0表示，128位返回结果采用X1:X0表示。
- X8：用于保存子程序返回地址，尽量不要使用。
- X9~X15：临时寄存器，使用时不需要保存。
- X16~X17：子程序内部调用寄存器，使用时不需要保存，尽量不要使用。
- X18：平台寄存器，它的使用与平台相关，尽量不要使用。
- X19~X28：临时寄存器，使用时必须保存。
- X29：帧指针寄存器，用于连接栈帧，使用时需要保存。
- X30：链接寄存器LR
- X31：堆栈指针寄存器SP或零寄存器ZXR

注意：
子程序调用时必须要保存的寄存器：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

不同位数下寄存器之间的关系如下图所示：

其中S0是D0的低半部分，D0是V0的低半部分。

注意：
64位下NEON寄存器与32位下NEON寄存器之间的关系不同！
neon寄存器 v0~v31使用说明：
v0~v7:用于参数传递和返回值，子程序不需要保存；
v8~v15:子程序调用时必须入栈保存（低64位）；
v16~v31:子程序使用时不需要保存。
具体可参考：
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以及参考手册

ARMv8-a指令集参考手册：
https://developer.arm.com/docs/ddi0487/a
https://static.docs.arm.com/ddi0487/a/DDI0487A_j_armv8_arm.pdf（官方标准手册）
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（指令集对比手册）
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位程序调试

方法一: 直接打印数据

ARM64位下打印数据的方法：
(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函数的定义如下：

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

(4).将V寄存器打印到内存的方法

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

c printf定义如下：

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调试
详细调试方法可以参考：GDB调试方法
对于neon寄存器入栈：

.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

至于要用的是v8~v15寄存器，为什么成了压d8~d15？具体原因可以参考：http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0055b/IHI0055B_aapcs64.pdf 5.1.2 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.

但是在对v寄存器入栈后，采用gdb调试会出现下面的问题：

/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.

解决方案：
通过分析可知，这是当前gdb版本7.11.1存在的堆栈问题。可以采用x寄存器进行入栈进行替换。
https://community.arm.com/processors/b/blog/posts/using-the-stack-in-aarch64-implementing-push-and-pop
https://community.arm.com/processors/b/blog/posts/using-the-stack-in-aarch32-and-aarch64
https://stackoverflow.com/questions/40271180/push-and-pop-a-full-128-bit-neon-register-to-from-the-stack-in-aarch64

6、IOS64和ARM64的参数传递差异和编译差异

（1）ARM64参数入栈都要保证8字节对齐，跟数据类型无关，而IOS64的参数入栈跟数据类型有关；
（2）ARM64参数传递是成对传递的，比如(x0,x1),(x2,x3)等，而IOS64的参数传递并不应遵守这一准则；
（3）ARM和IOS编译的差别：
ARM在Linux下编译gcc早期版本函数名前需要添加下划线，目前最新版本的gcc（4.4.7）不需要添加，这与gcc编译版本相关；
IOS平台下编译都需要添加下划线：“_”。

7、ARM64位加载和存储数据的几种格式

ld1 {v20.8H, v21.8H}, [x1]  @ 从x1指向的存储单元位置一次性加载128*2位数据到v20和v21中
ld1 {v1.8B},    [x1],   x2  @ 从x1指向的存储单元位置加载64位数据到v1的低64位中，然后x1=x1+x2
ld1 {v18.S}[0], [x0],   x1  @ 将x0地址里面的数据取32位加载到v18的最低32位，然后x0=x0+x1
ld1r {v30.8H},  [x1]        @ 从x1地址中以16位为单位取128位加载到v30中。

st1 {v30.8H},   [x1],   #16 @ 将 寄存器v30中128位数据存储到x1地址处，然后x1=x1+16
st1 {v0.S}[0],  [x0],   x2  @ 将 寄存器v0的低32位数据存储到x0地址处吗，然后x0=x0+x2

8、ARM64位下程序注释

在ARM32位下，单行注释采用@或者//，多行注释可以采用/* */；
在ARM64位下，单行注释采用//，多行注释采用/* */；

arm架构64位入门基础：架构分析、寄存器、调用规则、指令集以及参考手册

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