ARMv8(aarch64)指令集特性
有了之前mips系统架构的基础，再了解arm64就相对轻松多了。所谓体系架构，核心就是寄存器、指令集和abi（即寄存器和指令集的使用规范）。下面就分这几方面展开做的学习笔记。
目录
一、armv8概览
aarch64:
aarch32:
二、ARM64寄存器
1、ARM64通用寄存器
2、状态寄存器
2.1 条件标志位
2.2 控制位
2.3 保留位
3、ARM浮点寄存器
三、ARM64指令集
1、指令后缀
1.1 位数
1.2 S(S标识)：影响CPSR里的NZCV标识位
1.3 “！”后缀
1.4 条件后缀
2、数据处理（运算）指令：
2.1 数据传送指令
2.2 移位指令
2.3 算术运算指令
2.4 逻辑运算指令
2.5 比较运算指令
2.6 乘除运算指令
3、数据加载/存储指令
4、跳转分支指令
5、程序状态寄存器的访问指令
6、协处理器指令
7、软中断指令
8、其他指令
四、使用规范ABI
一、armv8概览
ARM架构版本号从1-8。ARMv8架构支持一下两种执行状态：
aarch64:
1、提供31个64位通用寄存器（其中X30被用来做链接寄存器LR（函数返回地址））。和一个64位程序计数器PC、栈帧SPs、异常链接寄存器ELRs。
3、提供32个128-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point support.
4、仅支持指令集 A64.
5、4个异常等级 EL0 - EL3
6、Defines a number of Process state (PSTATE) elements that hold PE state. The A64 instruction set includes instructions that operate directly on various PSTATE elements.
7、Names each System register using a suffix that indicates the lowest Exception level at which the register can be accessed.
aarch32:
1、提供13个32-bit通用寄存器,和一个32-bit PC, SP, 和链接寄存器 (LR)。LR 还兼有 ELR 功能。
2、提供32个64-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point support.
3、支持两种指令集 A32 （32bit编码的定长指令集）和 T32（使用16bit和32bit编码的变长指令集）。
二、ARM64寄存器
ARM64寄存器分类：通用寄存器、浮点寄存器、状态寄存器、协处理器寄存器。本文就通用寄存器的使用来介绍。其他寄存器根据后期学习情况逐步补充。
1、ARM64通用寄存器
通用寄存器就是指用户态可以使用的寄存器。它和我们普通程序员关系最为密切。下表列举了ARM64的通用寄存器。
| 寄存器 |
描述 |
| x0-x7 |
用于子程序调用时的参数传递，X0还用于返回值传递 |
| x8-x15 |
临时寄存器，也叫可变寄存器，子程序使用时不需要保存。 |
| x16-x17 |
子程序内部调用寄存器（IPx），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，子程序使用时必须保存。 |
| x29/fp |
用于连接栈帧，使用时必须保存。 |
| x30/LR |
存放的是函数的返回“地址”。当ret指令执行时刻,会寻找x30寄存器保存的“地址值”! |
| SP |
用于指向每个函数的栈顶。32位栈帧使用WSP。 |
| XZR |
零寄存器。32位零寄存器为WZR |
说明： x0 - x30 是31个通用整形寄存器。每个寄存器可以存取一个64位大小的数。 当使用 x0 - x30 访问时，它就是一个64位的数。当使用 w0 - w30 访问时，访问的是这些寄存器的低32位，如图：
2、状态寄存器
ARM体系架构中有一个当前程序状态寄存器CPSR（R16？？）和5个备份状态寄存器SPSRs。先关注CPSR，CPSR可以在任何工作模式下访问，用来保存ALU中的当前信息、状态等。基本格式如下：
31 26 8 0
| N | Z | C | V | Q | ... ... | I | F | T | M4 | M3 | M2 | M1 | M0 |
如上图所示，CPSR分为3部分：条件标志位NZCVQ、控制位IFTM4M3M2M1M0、保留位。
2.1 条件标志位
上图蓝色部分N，Z，C，V，Q为条件码标志位。它们内容可以根据算术或逻辑运算的结果所改变，并用来决定某条指令是否被执行。具体例子见 1.4 条件后缀 . 条件码标志的具体含义如下表：
| 标志位 | 含义 |
| N | 正负标志。N=1标识运算结果为负数 |
| Z | 零标志。Z=1标识运算结果为0 |
| C | 进位标志。加法运算结果有进位则C=1; |
| V | 溢出标志。运算结果有溢出则V=1 |
| Q | ？？ |
2.2 控制位
略，后期需要时补上
2.3 保留位
略，后期需要时补上
3、32 个SIMD&FP 寄存器 V0 -V31
每个寄存器根据实际使用长度，命名会有所不同。具体表示如下：
-
A 128-bit register named Q0 to Q31.
-
A 64-bit register named D0 to D31.
-
A 32-bit register named S0 to S31.
-
A 16-bit register named H0 to H31.
-
An 8-bit register named B0 to B31.
-
A 128-bit vector of elements.
-
A 64-bit vector of elements.
-
如下图所示：
-
4、2 个SIMD&FP 控制寄存器 FPCR 、FPSR
-
Two SIMD and floating-point control and status registers, FPCR and FPSR.
三、Aarch64指令集
ARM64指令和其他架构，比如MIPS类似，把指令分为数据处理（运算）指令、加载与存储指令、分支指令、程序状态寄存器指令、协处理器指令和异常产生指令共6大类。其中程序状态寄存器指令为ARM特有，MIPS没有此类指令。下面分别介绍。
学习指令之前要了解一下指令后缀。
1、指令后缀
ARM中的指令可以带后缀，从而丰富该指令的功能，常用的后缀有：
1.1 位数
B(byte)：功能不变，操作长度变为8位(依赖CPU位数，以下相同)
H(Halfword)：功能不变，操作长度变为16位
例如： ldr指令族：ldrb,ldrh,ldrsb ldrsh，从内存中加载指定长度的数据
1.2 S(S标识)：影响CPSR里的NZCV标识位
指令中使用”S“后缀时、指令执行后程序状态寄存器的条件标志位将被刷新。相当于有符号运算。例如：
SUB X1，X0，X3 ;X1=X0-X3 ，CPSR值不变
SUBS X1，X0，X3 ;X1=X0-X3 , 如果计算结果为负数，CPSR寄存器的N被置位
1.3 “！”后缀
指令中地址表达式含有“！”后缀时，指令执行后，基址寄存器中的地址值将会发生变化。变化的结果是 (base+offset）。例如：
LDR X3，[X0,#4] //X3=X0+4
LDR X3，[X0,#4]! //X3=X0+4; X0+=4；
注意： “！”不能用于寄存器PC后面
1.4 条件后缀
ARM架构中，允许在指令后面添加条件后缀来完成指令条件执行的目的。指令条件执行就是说，指令根据CPSR中条件码的状态和指令的条件域有条件的执行。当指令的执行条件满足时，指令被执行，否则指令将被忽略。例如比较下面两条指令：
ADD X4，X2，#1 ; 无条件执行 X4=X2+1
ADDEQ X4，X2，#1 ;添加有条件执行后缀EQ，当CPSR中的Z标志置位（之前某条CMP结果相等）时，该指令才执行。
注意：如果条件后缀和“S”标识同时出现，则S在条件后缀的后面，例如：
ADDEQS X4，X2，#1 ;即为有条件执行X4=X2+1，结果更新条件标志位
ARM中支持的条件后缀（条件码）共16种（系统保留1种，剩下15种可用），具体标志和功能如下表：
| 指令码 | 含义 |
| EQ | Z置位 ;结果相等才执行 |
| NE | Z清零，结果不相等才执行 |
| CS | C置位，结果无符号>= 才执行 |
| CC | C清零，结果无符号< 才执行 |
| MI | N置位，结果为负数才执行 |
| PL | N清零，结果为正数或0才执行 |
| VS | V置位，结果溢出才执行 |
| VC | V清零，结果无溢出才执行 |
| HI | C置位Z清零，结果为无符号数大于才执行 |
| LS | C清零Z置位，结果为无符号数小于或等于才执行 |
| GE | N等于V，结果为有符号数大于或等于才执行 |
| LT | N不等于V，结果为有符号数小于才执行 |
| GT | Z清零且N等于V ，结果为有符号大于才执行 |
| LE | Z置位或N不等于V ，结果为有符号数小于或等于 |
| AL | 无条件执行。省略。 |
例如：
cmp w0, #0 ;
cset x0, lt ;如果(w0 < 0)，X0置1，否则X0置0
说明：指令编程风格
ARM官方风格：官方风格指令一般使用大写，例如：LDR R0,[R1]，Windows中常使用这种风格。
GUN Linux风格：指令一般使用小写字母，例如：ldr r0,[r1]，Linux环境中常用这种风格.
本文下面的介绍多以官方风格来编写指令。
2、数据处理（运算）指令：
2.1 数据传送指令
| 指令 | 功能 | 格式 |
| MOV | 赋值 | MOV Wd|WSP, Wn|WSP ; 32-bit MOV Xd|SP, Xn|SP ; 64-bit |
| MVN | 取反赋值 | MVN Wd, Wm{, shift #amount} ; 32-bit MVN Xd, Xm{, shift #amount} ; 64-bit |
例如：
MOV X1，X0 ;将寄存器X0赋值给X1
MVN X1，X2 ;将寄存器X2取反后传送给寄存器X1
2.2 移位指令
| 指令 | 功能 | 格式 |
| LSL | 逻辑左移 | LSL Wd, Wn, Wm ; 32-bit |
| LSR | 逻辑右移 | LSR Wd, Wn, Wm ; 32-bit LSR Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
| ASR | 算术右移 | ASR Wd, Wn, Wm ; 32-bit ASR Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
| ROR | 循环右移 | ROR Wd, Wn, Wm ; 32-bit ROR Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
例如：
LSL w1, w1, #1 ;将寄存器W1逻辑左移1位后，赋值给W1
MOV X0，X1，LSL#1 ;将寄存器X1左移1位后赋值给X0。
MOVS X0，X1，LSR#1 ;将寄存器X1逻辑右移1位后的值赋值给X0，如果X0结果为0，则置寄存器CPSR的N位
2.3 算术运算指令
| 指令 | 功能 | 格式 |
| add | 加法运算 |
ADD Wd|WSP, Wn|WSP, #imm{, shift} ; 32-bit ADD Xd|SP, Xn|SP, #imm{, shift} ; 64-bit |
| sub | 减法运算 | SUB Wd|WSP, Wn|WSP, Wm{, extend {#amount}} ; 32-bit SUB Xd|SP, Xn|SP, Rm{, extend {#amount}} ; 64-bit |
| rsb | 反减运算 | |
| adc | 带进位的加法运算 | ADC Wd, Wn, Wm ; 32-bit ADC Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
| sbc | 带进位的减法运算 | SBC Wd, Wn, Wm ; 32-bit SBC Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
例如：
ADC X1，X3，X5 ;X1=X3+X5+C（CPSR中的C位）
2.4 逻辑运算指令
| 指令 | 功能 | 格式 |
| and | 与操作 | AND Wd|WSP, Wn, #imm ; 32-bit 操作：Rd = Rn & imm ,where R is either W or X . |
| orr | 或操作 | ORR Wd|WSP, Wn, #imm ; 32-bit 操作：Rd = Rn | imm ,where R is either W or X . |
| eor | 异或操作 | EOR Wd|WSP, Wn, #imm ; 32-bit 操作 Rd = Rn ^ imm ,where R is either W or X |
| bic | 位清除操作 | BIC Wd, Wn, Wm{, shift #amount} ; 32-bit 操作：Rd = Rn AND NOT shift(Rm, amount) ,where R is either W or X . |
例如：
BIC X0，X0 #9 ;这里十进制数9对应的二进制数为101 ，故实现将寄存器X0的第0位和第3位清零。
2.5 比较运算指令
| 指令 | 功能 | 格式 |
| CMP | 比较大小 | CMP Wn|WSP, Wm{, extend {#amount}} ; 32-bit |
| CMN | 反值比较 | CMN Wn|WSP, Wm{, extend {#amount}} ; 32-bit |
| TST | 按位与运算 | TST Wn, #imm ; 32-bit TST Xn, #imm ; 64-bit 即 Rn AND imm where R is either W or X . |
例如：
CMP X1，#10 ;根据（R1-10）的结果更改CPSR的标志位
CMN W0，W1 ; 根据（W0+W1）的结果更改CPSR的标志位
TST X0，#3 ;X0&3 ，结果改变CPSR
2.6 乘除运算指令
| 指令 | 功能 | 格式 |
| mul | 乘法运算。 | MUL Wd, Wn, Wm ; 32-bit MUL Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
| UMULL | 64位无符号乘法 | UMULL Xd, Wn, Wm => Xd = Wn * Wm |
| smull | 有符号乘法 | SMULL Xd, Wn, Wm 等同于 SMADDL Xd, Wn, Wm, XZR . |
| SMADDL | 有符号乘加 | SMADDL Xd, Wn, Wm, Xa => Xd = Xa + Wn * Wm |
| UDIV | 无符号除法 | UDIV Wd, Wn, Wm ; 32-bit UDIV Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
| SDIV | 有符号除法 | SDIV Wd, Wn, Wm ; 32-bit SDIV Xd, Xn, Xm ; 64-bit |
说明：ARM64中乘法，根据源操作数也分为32位64位乘法。由于64位乘法结果太大，需要放在2个64位寄存器Rdlo和寄存器Rdhi。寄存器Rdlo用于存放结果的低64位，寄存器Rdhi用于存放结果的高64位。类似于MIPS中的乘法寄存器HI和LO。
注意1：目的寄存器rd和操作数寄存器rm必须是不同的寄存器
3、数据加载/存储指令
ARM64的数据加载/存储，类似于MIPS体系架构的load/store。
| 指令 | 功能 | 格式 |
| LDR | 32/64位加载寄存器 | LDR Wt, [Xn|SP, (Wm|Xm){, extend {amount}}] ; 32-bit LDR Xt, [Xn|SP, (Wm|Xm){, extend {amount}}] ; 64-bit |
| LDRB | 加载一个字节 | LDRB Wt, [Xn|SP], #simm ; Post-index general registers LDRB Wt, [Xn|SP, #simm]! ; Pre-index general registers LDRB Wt, [Xn|SP{, #pimm}] ; Unsigned offset general registers |
| LDRH | 加载半字 | LDRH Wt, [Xn|SP], #simm ; Post-index general registers LDRH Wt, [Xn|SP, #simm]! ; Pre-index general registers LDRH Wt, [Xn|SP{, #pimm}] ; Unsigned offset general registers |
| LDRSB | 加载有符号字节 | LDRSB Wt, [Xn|SP], #simm ; 32-bit, Post-index LDRSB Xt, [Xn|SP], #simm ; 64-bit, Post-index LDRSB Wt, [Xn|SP, #simm]! ; 32-bit, Pre-index LDRSB Xt, [Xn|SP, #simm]! ; 64-bit, Pre-index LDRSB Wt, [Xn|SP{, #pimm}] ; 32-bit LDRSB Xt, [Xn|SP{, #pimm}] ; 64-bit |
| STR | 32/64位存储 | STR Wt, [Xn|SP, (Wm|Xm){, extend {amount}}] ; 32-bit STR Xt, [Xn|SP, (Wm|Xm){, extend {amount}}] ; 64-bit |
| STRH | 半字存储 | STRH Wt, [Xn|SP, (Wm|Xm){, extend {amount}}] |
| SWP | 交换指令 |
例如：
LDR X3，[X2,#0x8] ; load memory(X2+0x8) to X3
STR X6,[X5,X3] ; store X6 to memory(X5+X3)
SWP X0，X1，[X2] ;将memory(X2)数据加载到X0，同时将X1中的数据存储到memory(X2)
注意：没有找到教材中说的多寄存器加载/存储指令 LDM/STM。不知道是否为伪指令？
4、跳转分支指令
类似于MIPS架构的B/J指令。用于分支跳转和函数调用。
| 指令 | 功能 | 格式 |
| B | 无条件跳转，不返回 in the range ±128MB |
B label |
| BL | 跳转前把返回地址放入x30(LR)中 range ±128MB |
setting the register X30 to PC+4 BL label |
| BR | 跳转到寄存器 | BR Xn |
| BLR | 寄存器跳转。跳转前把返回地址放入x30(LR)中 长跳转range 2的64次方-1 |
BLR Xn |
| BX | 跳转同时切换到ARM模式，用于异常处理的跳转 | ？ |
| CBZ | 比较Rt结果为零（Zero）则跳转 | CBZ Rt, label ; 64-bit R为Xt或者Wt |
| BEQ | CPSR中Z置位则跳转 | BEQ label ; UAL(A32/T32) B.EQ label ; A64 |
例如：
cmp w0, #15 //将(w0-15)结果更新CPSR标志位
beq label //如果(w0==15) ,则跳转到lable
5、程序状态寄存器的访问指令
由于程序状态寄存器不属于通用寄存器，故不能直接读取，而是要通过下面两条指令专门读取。
| 指令 | 功能 | 格式 |
| MRS | 读状态寄存器 | MRS Xt, (systemreg|Sop0_op1_Cn_Cm_op2) |
| MSR | 写状态寄存器 | MSR pstatefield, #imm MSR (systemreg|Sop0_op1_Cn_Cm_op2), Xt |
例如：
MRS X0，SPSR ;读SPSR的内容到X0
MSR CPSR_c,X0 ;写寄存器X0值到CPSR，仅修改CPSR的控制位域c
6、协处理器指令
略，后期需要时补上
| 指令 | 功能 | 格式 |
| CDP | ||
| LDC | ||
| STC | ||
| MCR | ||
| MRC |
7、软中断指令
FIXME：SVC was called SWI in earlier versions of the A32 assembly language. SWI instructions disassemble to SVC ,
with a comment to say that this was formerly SWI .
| 指令 | 功能 | 格式 |
| SVC | 软件中断 | SVC{cond} #imm |
swi(software interrupt)，在软件层模拟产生一个中断，这个中断会传送给CPU，常用于实现系统调用。类似于mips架构的syscall指令。
待确认，如何使用此指令，根据系统调用号ID来实现系统调用
8、其他指令
暂时把无法归类的指令称为其他指令吧。
| 指令 | 功能 | 格式 |
| BRK | ARM64的断点指令，imm标识一个不大于16位的立即数 | BRK #imm |
| BKPT | ARM32的断点指令，imm标识一个不大于16位的立即数 | BKPT #imm |
| clz | 统计一个数的二进制位前面有几个0 | CLZ{cond} Rd, Rm |
断点指令BRK/BKPT可以触发SIGTRAP中断， 类似于mips架构的break指令。
缺少示例
四、使用规范ABI
略，后期需要时补上