ARM Cortex-A系列编程指南之ARMv8 A -- 第五章 ARMv8指令集介绍

ARMv8体系结构增加了64位指令集，是对现存的32位指令集的补充，被叫做A64（运行在AArch64运行状态下）。运行在AArch32运行状态下的指令集是A32和T32。

如果想详细了解A64的汇编语言，可以参考Documentation – Arm Developer，《Arm Compiler armasm User Guide Version 6.12》。

5.1 ARMv8指令集

5.1.1 区分32位和64位A64指令

在A64指令集的指令有2种形式，或者32位，或者64位。

1）寄存器以X开头，存储64bit的值

2）寄存器以W开头，存储32bit的值

当选了32位的形式：

1）右移或者反转，操作的是第31位，而不是63位

2）指令设置的条件标志，从低32位开始算

3）写W寄存器，X寄存器的高32位会被设为0

5.1.2 寻址

当处理器在一个寄存器能存储64位值的时候，在一个程序里访问大内存就变得简单了。执行在32位核上的一个单线程，只能访问最大4GB的地址空间，其中高端地址部分会被预留给OS内核、库、外围设备等使用。内存空间的缺乏，意味着程序在执行的时候需要映射一些数据到内存空间之外。64位指针，有更大的寻址空间，避免了此问题。

其他寻址方面的改进包括

1）互斥访问(exclusive access)

几个寄存器同时被更新（保证一个操作的原子性）。

2）PC寄存器的相对寻址空间增加了

PC寄存器的常量加载有不超过±1MB范围的相对寻址空间。相对于A32指令集PC存器相关的加载过程，A64减少了数据缓冲池的数量，并且增加了函数之间数据缓冲池的共享程度。反过来，也减少了对I-cache和TLB的污染。

3）对地址不对齐的支持

除了互斥访问和有序访问，所有访问普通存储空间的加载和存储过程都支持使用未对齐的地址。这简化了向A64移植代码的难度。

4）块传输

在A64指令集，LDM、STM、PUSH、POP指令不再存在。

块传输可以使用LDP、STP，他们可以从连续的存储空间中读取、存储一对相互独立的寄存器值。

LDNP、STNP指令，用于提供流或非临时数据的指示，让数据不必要长期保存在cache中。

PRFM指令（预取内存指令），能够将预先载入的内容绑定到特定的cache等级。

5）Load/Store

所有的Load/Store指令支持一致的寻址模式，这样char、short、int、long都可以使用相同的方式进行处理。

浮点寄存器和NEON寄存器也和核心寄存器一样，使用相同的寻址模式，这样也比较方便的交替使用2个寄存器组。

6）对齐检查

当在AArch64运行模式下，额外地对齐检查操作将会在如下三个过程
a、取指令
b、使用栈指针加载或存储数据
c、使能对PC和SP寄存器对齐失败检查

5.1.3 寄存器

64位程序调用标准（PCS, Procedule Call Standard）可以传最多8个参数（X0~X7），而A32和T32仅仅可以通过寄存器传4个参数，其他的通过堆栈进行。

PCS也定义了一个专用帧指针（FP：frame pointer），提高了可靠展开堆栈的可能性，降低了调试和调用图分析的难度。

不同的类型的长度，有一些标准：

 64位的Linux使用的是LP64标准。

1）零寄存器（WZR/XZR）

a、它会被用在一些编程技巧中

b、不用立即数0，直接用零寄存器

c、空指令

2）堆栈指针

堆栈指针不能被所有的指令访问，一些形式的算数指令可以读或写当前的栈指针。这种操作通常用来在函数开始或结束的位置调整栈指针的位置。例如 ADD SP, SP, #256 // SP = SP + 256。

3）程序计数器

4）FP和NEON寄存器

目前有32个16位 NEON寄存器，之前是16个。浮点和NEON寄存器组中不同的寄存器尺寸之间有更简单的映射表，让这些寄存器更加易用。新的映射表让编译和优化器的建模和分析变得更容易。

5）寄存器变址寻址

base + index 乘 scale

5.2 C/C++内联汇编

如何将汇编代码，集成在C、C++代码里呢？用asm关键字，例如：

#include

int add(int i, int j)

{

    int res = 0;

    asm (

        "ADD %w[result], %w[input_i], %w[input_j]"

        //Use `%w[name]` to operate on W

        // registers (as in this case).

        // You can use `%x[name]` for X

        // registers too, but this is the default.

        : [result] "=r" (res)

        : [input_i] "r" (i), [input_j] "r" (j)

        );

    return res;

}

int main(void)

{

        int a = 1;

        int b = 2;

        int c = 0;

        c = add(a,b)

        printf(“Result of %d + %d = %d\n, a, b, c);

}

通常的语法是： asm(code [: output_operand_list [: input_operand_list [: clobber_list]]]);

在我们这个例子里：

code就是"ADD %w[result], %w[input_i], %w[input_j]"。

output_operand_list就是[result] "=r" (res)。

input_operand_list就是[input_i] "r" (i), [input_j] "r" (j)。

clobber_list为空。

在C、C++与汇编之间互相调用需要遵守AAPCS64规范，可以参考：Using Assembly Language with C (Using the GNU Compiler Collection (GCC))

5.3 各个指令集之间进行切换

在一个应用程序中，使用两种执行状态的代码是不可能的。

以A64 ARMv8写得代码，不能运行在ARMv7系列的处理器上。但是为ARMv7-A写得代码能够运行在ARMv8的AArch32运行状态。

可以总结如下：

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