第23部分- Linux ARM汇编ARM32到ARM64迁移

第23部分- Linux ARM汇编ARM32到ARM64迁移

1、在32位ARM系统中，可以通过指令本身中的条件字段来支持的分支判断。 例如在T32中，有用于构建条件序列的IT（如果-则-then）指令。 A64不支持此功能，但有一组不同的特定条件说明。

2、64位仍可以对第二个操作数进行移位，旋转和符号扩展或零扩展，但A64位不支持以相同的方式将移位和旋转操作“嵌入”到数据处理指令中。

3、通常不再可以访问程序计数器（PC）。 特别是，它不能像其他通用寄存器一样被读取或修改。 有伪指令可用于间接使用它（例如，在运行时生成相对于PC的地址）。

4、加载和存储多条指令已被加载和存储成对的64位寄存器的指令所取代。 它们也用于堆栈操作，以代替早期的PUSH和POP。

5、NEON架构区别，32位时候

是

S0是D0的下半部分，是V0的下半部分。 S1是D1的下半部分，它是V1的下半部分，依此类推。 这消除了编译器在自动向量化高级代码时遇到的许多问题。

指令集

指令集，A64添加了将加载或存储与内存屏障结合在一起的加载获取（LDAR）和存储释放（STLR）指令。 简化了关键部分的实施。

另外，指令级别的可选加密加速支持。 这些指令在向量库上运行，提供了常见的构建块操作，可有效实现例如 AES和SHA加密算法。

与早期版本的指令集不同，A64不支持有条件地执行单个指令（例如ARM指令集）或指令组（例如Thumb指令集）。 相反，它支持一系列指令（如CSINC –条件选择和增量），其行为由条件代码标志的当前状态修改。 再加上全套的条件分支，这些使得控制流程非常紧凑和高效。

 

内存模式

普通内存中支持用于加载和存储的未对齐访问（只有极少数例外，例如“加载和存储独占”指令）。

尽管可以为Big-endian支持而构建数据接口，但是数据和指令接口本来就是little-endian。尽管单个应用程序无法更改其自己的字节序，但是操作系统可以同时托管big-endian和little-endian应用程序。

有更多的预加载提示说明。这些允许预加载以进行加载和存储，并提供有关是否应缓存预加载数据的提示。

一对“单向”屏障指令，即Load-Acquire（LDAR）和Store-Release（STLR），比DMB / DSB具有更大的灵活性。下面的“汇编代码”部分显示了一个示例。

AArch64不支持强排序的内存（在ARMv7-A中已弃用），并且设备内存已获得一些额外的功能以使其更加灵活（能够为收集，重新排序和早期写入确认定义各自的限制） 。

重编译或重写

在大多数情况下，目标是使前者最大化而使后者最小化。

    好消息是，很多代码将简单地重新编译。 但是，由于许多基本类型的大小将发生变化，因此需要谨慎行事。 尽管编写良好的C代码不应对单个类型的大小有很多依赖性，但是不可避免地会遇到一些。

    最佳实践必须是在重新编译时启用所有警告和错误，并确保您注意到编译器的所有警告问题，即使代码看起来没有编译器错误。

    特别要特别注意代码中的任何显式类型转换，因为当基础类型的大小更改时，这些类型转换通常是错误的来源。

 

编译选项

--cpu 8A.32
--cpu 8A.32.crypto

--cpu 8A.32.no_neon

--cpu 8A.64
--cpu 8A.64.crypto

--cpu 8A.64.no_neon

在ARMv8-A中为A32进行编译（将以AArch32状态执行的代码）与为ARMv7-A进行编译非常相似。 为A32编译的代码将能够利用一些新指令（例如“加载获取和存储发行版”），并且避免使用ARMv7-A中已弃用但现在已在A32中删除的指令（例如SWP）。

使用no_neon选项进行编译将避免使用NEON / VFP指令或寄存器。 对于其中SIMD单元永远不会通电的系统或对于特定的代码段（例如，重置代码和异常处理程序）而言，这对于确保不使用NEON / VFP非常重要，这可能很有用。

 

ARMv8编译有关的预定义宏

编译器定义了许多预处理器宏，这些宏可在确定当前编译选项时使用。

__a32__

__a64__

__arm__

__thumb__

__t32__

可选特性：

__ARM_NEON__

__TARGET_ARCH_8_A

__TARGET_PROFILE_A

 

汇编代码

汇编代码只能重写没有办法。有差异的地方：

需要注意的事，64位APCS需要128位堆栈对齐。

这解释了为什么在表的A64示例中使用X寄存器（因为推入/弹出一对W寄存器将无法保持对齐）。

CPSR被PSTATE中的命名字段替换。

跳转指令

函数返回

注意，在某些情况下，仍然可以通过将地址直接复制到程序计数器来分支。

但是，RET指令向处理器提供了一个明确的提示，即分支是函数返回这可以大大改善分支预测（通过使用返回堆栈）。

浮点和NEON

浮点指令和NEON指令包含在主指令集中（而不是像以前的体系结构那样以协处理器为目标）。

意味着这些指令直接设置核心条件标志（NZCV），而不是具有单独的状态标志集。 使用NEON / FP寄存器组时，这使得混合控制和数据流变得更加容易。

堆栈指针

堆栈指针和零寄存器均通过ARM内核寄存器31进行编码。只有很少的指令将此编码识别为堆栈指针（其余部分将其视为零寄存器）。 以下说明可以访问堆栈指针：

• 所有加载和存储都可以使用SP作为基本寄存器
• AND，ORR和EOR（具有立即数和不具有标志设置）可以将SP用作目标
• 具有立即数的ADD / SUB可以将SP用作目标或第一个操作数
• ADD / SUB扩展可以将SP用作目标或第一个操作数

值得注意的是，某些指令（例如CMP）是这些指令的别名，也可以以相同的方式访问SP。

使用LDP / STP指令进行PUSH和POP操作。

这些示例显示涉及64位X寄存器对的传输，因为传输32位W寄存器对将不会保留堆栈指针的128位对齐。 当然可以使用PUSH / POP W寄存器，但是需要将它们以4组为一组进行传输以保持对齐。 但是，不能简单地将堆栈指针作为两对进行传输，每次将堆栈指针更新为8个字节，因为第二条指令将不使用对齐的堆栈指针值，而这将被硬件捕获。

// PUSH (w0, w1, w2, w3)
STP w3, w2, [sp, #-16]! // push first pair, create space for second STP w1, w0, [sp, #8] // push second pair

地址模式

A64加载和存储指令的一个重要特征是寻址模式与寄存器类型正交。

例如，对NEON / FP寄存器之一的加载与对内核寄存器的整数加载具有相同的寻址模式，范围和功能。

此外，NEON / FP寄存器组还支持与A32类似的解交织或“结构化”加载和存储指令。

Zero寄存器

零寄存器简化了许多指令的编码。它始终读为零，并忽略写入。 这意味着CMP指令可被编码为SUB，以零寄存器为目标。

LDAR和STLR

这些新指令起到“单向”barrier的作用，并且可以简化某些需要barrier的情况。

例如，按以下顺序，在LDAR之后观察到LDAR之后的所有访问，而LDAR之前的访问不受影响。

LDR ; these two accesses may be observed after the LDAR STR
LDAR ; “barrier” which affects subsequent accesses only

LDR ; these accesses must be observed after LDAR

STR

同理：

LDR ; these two accesses must be observed before STLR STR
STLR ; “barrier” which affects prior accesses only
LDR ; these accesses may be observed before STLR

STR

 

通用语言问题

64位的AAPCS大量使用了额外的寄存器，以提高过程调用的效率。

有8个64位寄存器可用于传递参数和返回结果。 通常，单个64位结果在X0中返回，或者单个128位结果在X1：X0中返回。 X8被指定为XR（间接结果位置参数），并且可以由调用方传递以指向用于返回结构的内存区域。

X9至X15这七个寄存器可被调用的函数破坏，因此可用作暂存空间。

IP0和IP1（过程内调用临时寄存器）可用于例如 单板或分支孤岛在过程调用中。 他们否则是可破坏的

平台寄存器（Platform Register,PR）保留供特定的ABI特定使用，分配器不得将其用于任何其他目的。 如果在特定平台上不需要PR，则可以将PR用作暂存器，但此类代码不一定可移植到其他平台。

X19-X28被指定为已保存被调用方，因此必须通过函数调用保留。

帧指针（X29）用于链接堆栈帧。

尽管不能用作通用寄存器，但是堆栈指针必须在任何公共接口处对齐16字节。 在用于访问内存的任何位置，它还必须对齐16字节。 这是在硬件中强制执行的。 请注意，对齐检查在堆栈指针上，而不在实际访问的地址上。

下表显示了为A32和LP64编译C代码时的内置类型。

只要代码以可移植的方式使用了指针（例如，从未将指针存储在int变量中，并且从未将指针转换为int或反之亦然），那么要注意的主要是sizeof（ int）！= sizeof（long）。

除其他效果外，这将更改参数列表结构的大小，甚至可能更改其对齐方式。 在存储长度很重要的情况下，应小心使用stdint.h中的int32_t和int64_t类型。

还要注意，在A64-LP64中，size_t和ssize_t都很长（64位）。

尽管似乎可以将指针存储在“长”变量中，但是应该使用intptr_t之类的类型以最大程度地提高可移植性和安全性。

 

技巧

显式和隐式类型转换

当表达式中缺少不同长度和/或符号的数据类型时，C / C ++中的内部提升和类型转换会导致一些意外的问题。 特别地，有时重要的是要了解在表达式的评估中在什么时候进行了转换。

例如：

       int + long -> long

      unsigned + signed -> unsigned

如果在第二次转换（符号丢失）之前执行第二次转换（转换为long），则将其分配给有符号的long时结果可能不正确。

如果在表达式中混合使用无符号和有符号的32位整数并将结果分配给有符号的long，则一种解决方案是将其中一个操作数转换为其64位类型。 这将导致其他操作数提升为64位，并且在分配表达式时不需要进一步的转换。 另一种解决方案是强制转换整个表达式，以使符号扩展在赋值时发生。

例如：

long long a;

      int b;

      unsigned int c;

      b = -2;

      c = 1;

      a = b + c;

a的预期是会得到-1.

这将保留为0x00000000FFFFFFFFFF（十进制|的4294967295），显然是意外的和不正确的结果。 这是因为相加的结果在转换为long long之前先转换为unsigned。

改成：

long long a;

      int b;

      unsigned int c;

      b = -2;

      c = 1;

      n = (long) b + c;

这样得出的结果为0xFFFFFFFFFFFFFFFFFF（-1以2的补码符号表示），这是预期结果。 现在，所有计算均以64位算术进行，现在转换为正负号可以得出正确的结果。

 

位操作操作

请注意，位掩码的宽度正确。 C中的隐式类型转换有可能

表达式可能会产生一些意想不到的效果。 考虑以下功能或在64位变量中设置指定的位：

long SetBitN(long value, unsigned bitNum) {

long mask;

        mask = 1 << bitNum;

        return value | mask;

      }

此功能在32位环境中可以正常工作，并且允许将位设置为0到31。为了将其移植到64位系统，您可能会认为只需更改掩码的类型即可 位要设置在位置0至63。

long long SetBitN(long long value, unsigned bitNum) {

        long long mask;

        mask = 1 << bitNum;

        return value | mask;

      }

由于数字文字“ 1”具有int类型，因此无法正常工作。 确切的行为取决于各个编译器的配置和假设。

使代码正确运行，您需要为常量提供与掩码相同的类型：

long long SetBitN(long long value, unsigned bitNum) {

        long long mask

        mask = (long long) 1 << bitNum;

        return value | mask;

      }

您还应注意为文字值指定类型，例如：

1L    // (long)

      1LL   // (long long)

      1U    // (unsigned)

      1UL   // (unsigned long)

      1ULL  // (unsigned long long)

这也将为避免此类问题提供某种方式。

魔术数字

所有代码都包含一些描述常量。 但是，请注意常量，这些常量会假设基本类型的大小，例如

#define BYTES_IN_WORD 4

索引

在64位环境中使用大型数组或对象时，请注意int可能不再足够大以索引所有条目。 使用int索引遍历数组时，尤其要小心。

size_t Count = BIG_NUMBER;
for (unsigned int index = 0; index != Count; index++) ...

由于size_t是64位类型，而unsigned int是32位类型，因此可以定义对象的大小，以使循环永远不会终止。

 

指针和整数

int i, *p, *q;

      p = &i;

      q = (int *) (int) &i;

在A32中，p == q。 在A64-LP64中，p！= q。

为了防止这种情况，您应该对指针类型使用intptr_t（来自stdint.h）。

在指针算术中，应该将从指针添加或减去的变量声明为ptrdiff_t，因为int（以及带符号）可能不足以容纳两个指针之间的差。

 

结构体pdding

单个元素的大小变化及其相应对齐要求的更改,将更改许多结构的大小。

struct foo {

  int a;

  long l;

  int x;

}

在ILP32中，此结构的大小为12（字节），并且元素之间没有填充。

在LP64中，它的大小为20。“ long”已从4个字节和8个字节增加，现在必须是双字对齐的。 这在第一个“ int”的末尾与“ long”的末尾之间引入了四个填充字节。