ARMv8 Cortex-a 编程向导手册学习_6.aarch64 应用移植注意事项与 AArch64 ABI

/* TODO 本系列文章是对 ARMv8 Cortex-a 系列编程向导手册拙劣的翻译和注解，若有出入，以官方文档为准 */

Chapter 8 移植到 A64

这一章节不打算对如何编写可移植代码做出详细介绍，而只介绍应用工程师在编写可移植代码时的主要应该关注的方面。
当移动 A32 代码到 A64 架构上运行时，我们应该清晰的认识到 A64 指令集与 A32/T32 指令集存在下面这些重大的差异：

• 大多数 A32 指令可以条件执行，但是在 A64 指令集中，只有少数指令可以条件执行。
• 大多数 A64 指令可以应用一个任意的偏移量到源寄存器。
• A64 指令集的寻址模式与 A32 不同。A32、T32 指令集使用的偏移寻址、索引前/索引后寻址在 A64 中依然可用，但是，A64 中新增了 PC 相关寻址模式，因为在 A64 中， PC 不能作为一个通用目的寄存器被访问。
• A64 指令集移除了所有的多内存访问指令，但是添加了 LDP 与 STP 指令来加载、存储寄存器对，这两个指令可以操作任意两个寄存器，A64 同样移除了 PUSH 和 POP 指令。
• ARMv8 新增了包含单向内存屏障的加载与存储指令：load-acquire 与 store-release。load-acquire 指令要求接下来任意的内存访问只有在 load-acquire 完成之后才可见；store-release 确保了所有之前的内存访问在 store-release 指令可见之前可见。
• A64 指令集不支持协处理器的访问，比如 CP15。
• 在 AArch64 状态下，不存在 CPSR 寄存器，CPSR 功能包含在 PSTATE 位域中，可以通过特殊目的寄存器来访问 PSTATE 位域 。

对于大多数应用，当代码移植到 AArch64 架构上运行时，仅仅需要重编译源代码。然而，在某些方面也存在一些不可移植的 C 代码。

8.1 对齐

数据和代码必须对齐合适的边界。
对齐可以影响 ARM 内核的性能，并且可以代表一个可以问题。
之前的 ARM 编译器语法使用 ALIGN n 指令来实现对齐，n 表示对齐的字节边界，比如 ALIGN 128 表示 128 字节对齐。
GNU 汇编语法与 ARM Complier 6 语法使用 .balign n 指令来实现对齐，同样，n 表示对齐的字节边界。
当我们移植 A32 代码到 AArch64 架构时，应该把 ALIGN n 指令更换为 .balign n 。

注意： GNU 汇编也提供一个 .align n 指令，但此时 n 的格式在不同架构的内核中具有不同的格式

8.2 数据类型

64 位机器上，大多数 C 编程环境中， int 类型依旧是 4 字节，但是，long 与指针类型是 8 字节宽。这种数据类型被称作 LP64 数据模型。
ARM ABI 为 LP64 数据模型定义了一些基本数据类型，如下：

在 AArch64 架构中，64 位数据可以更有效的被处理。int 类型依旧是 4 字节，指针类型是 8 字节。ARM ABI 默认 char 类型为 unsigned 。

如果应用代码没有对指针类型的不可移植操作，比如：将一个非指针类型的数，强制转换为一个指针类型，或者对指针做算数运算。那么代码移植到 AArch64 架构上运行是很简单的，只需要重编译源代码就好。
如果涉及当上述的强制类型转换与指针算数运算，那么我们需要慎重分析源代码，并消除每一个警告。

8.2.1 汇编代码

大多数 A32 汇编指令可以很简单的被 A64 指令所取代，比如下表：

但是，A64 指令集与 A32 指令集依旧在很多方面存在不同，这时，我们需要重新编写汇编代码，如下表：

注意：根据 64 位的 APCS, 堆栈指针需要 16 直接对齐

在 AArch64 架构中，我们通过访问 PSTATE 位域来代替对 CPSR 寄存器的访问：

8.3 当代码从 32 位环境移植到 64 位环境时的问题

当移植 C 代码到 64 位环境时，需要考虑如下的问题：

• 考虑 int 类型与 指针 类型长度，因为在某些芯片架构上，这两个类型长度可能不一致。
• 64 位系统有更大的内存访问范围，int 类型的索引可能不能索引到数组所有的元素，导致死循环。
• C 表达式的隐式类型转换也许会造成意料之外的影响。
• 不同数据类型与符号数之间的运算必须谨慎。因为会涉及到类型转换。

8.3.1 重编译或重写代码

任何代码的移植都需要重编译或重写代码，我们的目标是最大化前者，最小化后者。

由于基本数据类型的改变，建议谨慎思考代码编译过程中的每一个错误与警告。

最后，建议谨慎使用强制类型转换。

8.3.2 ARM Compiler 6 针对 ARMv8-A 的编译器选项

选项举例	说明
–target==aarch64-arm-none-eabi	生成 ARMv8-A 架构的代码，使用 A64 指令集
–target==armv8a-arm-none-eabi	生成 ARMv8-A 架构的代码，使用 A32/T32 指令集
–target==armv7a-arm-none-eabi	生成 ARMv7-A 架构的代码，使用 A32/T32 指令集

8.4 对编写 C 代码的建议

• 分配内存时使用 sizeof ，而不是常量，比如：

(void**) calloc(4,100)
替换为
(void**) calloc(sizeof(void *), 100)

• 如果需要用到强制类型转换，那么请使用 stdint.h 文件中的统一类型
• 谨慎考虑结构体成员布局，因为存在结构体对齐这一原因。
• 请一定知道任意的立即数都是 int 类型，请在移位操作中谨慎使用立即数，如果一定要使用，那么请按照如下方式：

long value = 1L << SOMANY;

8.4.1 显式与隐式类型转换

在不同类型的数据算数运算时，请谨慎思考类型转换的影响，举例如下：

long a;
int b;
unsigned int c;
b = -2;
c = 1;
a = b + c;

根据隐式类型转换规则，a 的值为 0x00000000FFFFFFFF，而不是 -1.
代码可以更改为如下，来让 a 的值 为 -1：

long a;
int b;
unsigned int c;
b = -2;
c = 1;
a = (long)b + c;

8.4.2 位操作

按照之前所说，任意的立即数被认为是 int 类型，所以，64位环境中，我们在移位操作中需要格外小心。

下列函数用于置位变量的低32位，但不能置位高32位：

long SetBitN(long value, unsigned bitNum)
{
long mask;
mask = 1 << bitNum; // 1 的数据类型是 int, 不能置位高32位
return value | mask;
}

如果需要置位高 32 位，那么需要将 1 的数据类型更改为 long：

long long SetBitN(long long value, unsigned bitNum)
{
long long mask;
mask = 1LL << bitNum;// 将 1 的数据类型更改为 long long 
return value | mask;
}

8.4.3 索引值

在 64 位环境中，当我们定义了一个非常大的数组时，我们必须使用 long 类型去遍历数组，而不是 int 类型，代码举例如下：

static char array[BIG_NUMBER];
for (unsigned int index = 0; index != BIG_NUMBER; index++);

此时，如果 BIG_NUMBER 的值大于 0xFFFFFFFF, 那么会陷入死循环

Chapter 9 AArch64 的 ABI

ABI：Application Binary Interface(应用二进制接口).
ABI 用于指定可执行代码模块必须遵守的基本规则，以便于这些代码可以正确的运行。这些基本由指定编程语言的额外规则补充，单独的操作系统或者执行环境也许会指定额外的规则，比如 linux。

AArch64 架构的 ABI 存在很多的组件：

• 可执行与可连接格式（ELF），ELF 指定了可连接对象格式与可执行文件格式。
• 流程调用标准（PCS），PCS 规定了如何独立的编写一个子函数，并将这个子函数与代码编译到一起。PCS 指定了调用函数与子函数之间的约定，或者函数与执行环境之间的约定，比如，当调用一个函数时的堆栈布局以及通用目的寄存器的保存与恢复。
• DWARF，用于标准化调试数据格式。
• C 与 C++ 库支持。
• C++ ABI。

9.1 AArch64 PCS 中的通用目的寄存器的使用

理解通用目的寄存器的使用标准是非常有用的。理解子函数中的参数传递可以帮助我们：

• 编写更有效率的 C 代码
• 理解反汇编代码
• 编写汇编代码
• 调用一个由不同语言编写的函数，比如：C 内嵌汇编。

9.1.1 通用目的寄存器中的参数

出于函数调用的目的，可以把 31 个通用目的寄存器（X0-X31）分为 4 组：

• 参数寄存器（X0-X7）: 这 8 个寄存器用于调用子函数时传递形参，以及返回子函数运行的结果。这 8 个寄存器可以用作临时寄存器，调用者如果需要保存这 8 个寄存器的值的话，那么必须将这 8 寄存器的值保存在堆栈中。AArch64 可以使用这 8 个寄存器传递 8 个形参。
• 调用者需要保存的寄存器（X9-X15）：如果这7个寄存器中的值不能被污染，那么调用者必须将这 7 个寄存器的值在函数调用时，保存在自己的堆栈中。换言之，子函数可以随意使用这 7 个寄存器的值，且不会将这 7 个寄存器的值进行保存与恢复。
• 子函数需要保存的寄存器（X19-X29）:子函数在运行之前需要将这 11 个寄存器保存在自己的堆栈中，在子函数返回前，从堆栈中恢复这 11 个寄存器的值。
• 用作特殊目的的寄存器：

寄存器	描述
X8	用于保存间接结果寄存器，X8 保存一个间接结果的地址，比如说，当一个子函数返回一个很大的结构体时。
X16/X17	这两个寄存器是 IP0 与 IP1，用作过程内调用临时寄存器（不懂）。
X18	X18 是平台寄存器，被指定平台的 ABI 所保护，无实际意义？
X29	X29 是帧指针寄存器（FP）
X30	链接寄存器 - LR，用于保存子函数返回地址

下图展示了 AArch64 的所有通用目的寄存器及其分类：

9.1.2 间接结果位置寄存器 - X8

X8 用作传递间接结果的位置，比如子函数返回一个很大的结构体时。那么在子函数调用之前，需要给 X8 赋值。
示例代码如下：

//test.c//
struct struct_A
{
int i0;
int i1;
double d0;
double d1;
} AA;
struct struct_A foo(int i0, int i1, double d0, double d1)
{
struct struct_A A1;
A1.i0 = i0;
A1.i1 = i1;
A1.d0 = d0;
A1.d1 = d1;
return A1;
}
void bar()
{
AA = foo(0, 1, 1.0, 2.0);
}

反汇编代码如下：

foo//
SUB SP, SP, #0x30
STR W0, [SP, #0x2C]
STR W1, [SP, #0x28]
STR D0, [SP, #0x20]
STR D1, [SP, #0x18]
LDR W0, [SP, #0x2C]
STR W0, [SP, #0]
LDR W0, [SP, #0x28]
STR W0, [SP, #4]
LDR W0, [SP, #0x20]
STR W0, [SP, #8]
LDR W0, [SP, #0x18]
STR W0, [SP, #10]
LDR X9, [SP, #0x0]
STR X9, [X8, #0]
LDR X9, [SP, #8]
STR X9, [X8, #8]
LDR X9, [SP, #0x10]
STR X9, [X8, #0x10]
ADD SP, SP, #0x30
RET
bar//
STP X29, X30, [SP, #0x10]!
MOV X29, SP
SUB SP, SP, #0x20
ADD X8, SP, #8
MOV W0, WZR
ORR W1, WZR, #1
FMOV D0, #1.00000000
FMOV D1, #2.00000000
BL foo:
ADRP X8, {PC}, 0x78
ADD X8, X8, #0
LDR X9, [SP, #8]
STR X9, [X8, #0]
LDR X9, [SP, #0x10]
STR X9, [X8, #8]
LDR X9, [SP, #0x18]
STR X9, [X8, #0x10]
MOV SP, X29
LDP X20, X30, [SP], #0x10
RET

在上述的示例代码中，由于 foo() 返回的结构体超过 16 个字节，所以，返回结果需要保存在 X8 中。示例代码体现了下列通用寄存器的作用：

• W0,W1,D0,D1 用于传递子函数的形参。
• bar() 在栈中开辟空间，并给 X8 赋值，foo() 将返回值保存在 X8 中。

AAPCS64 栈帧的使用如下图所示，X29(FP) 应该指向堆栈中的前一帧，并且保存在 LR 之后。

9.1.3 NEON 与浮点寄存器的使用

AArch64 包含了 32 个浮点寄存器 V0-V31，可以用于 NEON 与浮点运算。

AArch64 PCS 对浮点寄存器分类如下：