ARM架构 AArch64 基础知识介绍

介绍

1. aarch64是 ARM 架构的 64 位版本，它是 ARMv8 架构的一部分，被设计用来提供更高的性能和更大的地址空间，同时保持与 32 位 ARM 架构的兼容性。
2. AArch64 是 ARMv8 的 64 位指令集架构（ISA），它提供了丰富的指令集来支持高性能计算。
3. Armv8-A支持三种指令集：A32、T32和A64；在AArch64执行状态下执行时使用A64指令集。它是一个固定长度的32位指令集，名称中的64指的是AArch64执行状态对该指令的使用。它不是指内存中指令的大小。A32和T32指令集也分别被称为Arm和Thumb。
4. 特点 ：
   • 64位寄存器：提供了更多的寄存器，每个寄存器都是 64 位宽。
   • 更大的地址空间：支持超过 4GB 的内存地址空间。
   • 改进的指令集：包括新的指令和对现有指令的扩展，以提高性能和效率。
   • SIMD 扩展：高级 SIMD ( neon) 扩展，提供对单指令多数据（SIMD）操作的支持，增强了图形和多媒体应用的性能。
   • 虚拟化支持：提供了硬件虚拟化功能，使得 AArch64 架构的处理器可以更有效地运行虚拟机。
   • 节能特性：包括多种节能技术，如动态调频和电压调整（DVFS）。
   • 安全性增强：包括安全启动和加密功能，提高了系统的安全性。

寄存器

1. 寄存器：

• 寄存器是中央处理器（CPU）内部的一小部分高速存储资源，用于快速访问和处理数据。它们在计算机体系结构中起着至关重要的作用。
• 寄存器（Register）是 CPU 内部的存储单元。可以用来暂存程序指令，数据和内存地址。因为存在于 CPU 内部，所以它的读写速度要比内存快得多。
• 在寄存器和内存之间，还有一层存储介质叫缓存（Cache）。缓存也在 CPU 内部，访问速度比寄存器慢，比内存快。对于程序而言缓存是透明的，不可操作。

2. 寄存器与内存关系：

• 寄存器和内存是计算机体系结构中的两种基本存储资源，它们在程序执行和数据处理中扮演着不同但互补的角色。
• 寄存器是 CPU 内部的一小部分高速存储资源，其访问速度远远快于主存（RAM）。内存则作为计算机的主要存储介质，容量较大但访问速度较慢。
• 寄存器用于暂存指令、数据和地址，供 CPU 快速处理。内存则用于存储程序的指令代码、大量数据和中间计算结果。
• 寄存器可以被 CPU 直接访问，而内存则需要通过地址总线间接访问。
• 寄存器的数据宽度通常是固定的，如 32 位或 64 位，而内存可以存储任意大小的数据。
• 寄存器和内存之间的数据交换是通过数据总线进行的。CPU 使用 LOAD 和 STORE 指令将数据从内存加载到寄存器，或从寄存器存储到内存。
• 寄存器作为 CPU 内部的快速存储资源，经常用于暂存从内存中读取的数据或指令，以及待写入内存的数据；所以寄存器和内存之间的关系就是传递这几种类型的数据，以便于
  CPU 进行计算。
  

3. 寄存器与汇编语言：

• 汇编语言是一种用于电子计算机、微处理器、和其他可编程设备低级编程的编程语言。它是机器语言的文本表示形式，几乎与机器码一一对应，但提供了一些助记符来增强可读性。
• 汇编语言提供了直接操作 CPU 寄存器的能力。程序员可以通过汇编指令来控制寄存器中的数据，进行加载、存储、算术运算、逻辑运算等操作。
• 汇编语言中的每条指令通常都直接映射到 CPU 的指令集架构上。这意味着汇编语言中的指令直接体现了 CPU 能够对寄存器执行的操作。
• 在汇编层面，函数参数和返回值通常通过寄存器传递，以减少内存访问的开销。
• 不同的 CPU 架构有不同的寄存器集和专用寄存器，汇编语言允许程序员利用这些特性来编写高效的代码。

4. 通用寄存器：

• 通用寄存器是一组用于存储数据和地址的寄存器，它们在处理程序中扮演着核心角色。
• 作用
  • 通用寄存器用于存储临时数据、计算结果和变量；
  • 在函数调用时，前几个参数通常通过 X0 到 X7 寄存器传递。返回值通常存储在 X0 寄存器中；
  • 通用寄存器参与算术（如加、减、乘、除）和逻辑（如 AND、OR、NOT、XOR）运算；
  • 寄存器用于提供内存访问指令中的基地址、偏移量或索引；
  • 某些通用寄存器（如 X8 到 X17）可以作为调用者保存的寄存器，在函数调用中保持不变，或用于存储局部变量；
  • 虽然 AArch64 没有单独的状态寄存器，但通用寄存器可以用于存储和传递状态信息，如条件标志；
  • 通用寄存器用于存储系统调用的编号和参数，以及在异常或中断处理中保存上下文；
• 大多数A64指令都在寄存器上操作。AArch64架构提供了31个通用寄存器。每个寄存器都可以用作64位X寄存器（X0～X30）或32位W寄存器（W0～W30）。这是查看同一寄存器的两种不同方式。例如，下边这个寄存器图显示W0是X0的低32位，W1是X1的低32位。
  
• 每个通用寄存器都是 64 位宽，这意味着它们可以存储 64 位（8 字节）的整数数据。
• 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。
  
• 对于数据处理指令，X或W的选择决定了操作的size。使用X寄存器将导致64位的计算，使用W寄存器将导致32位的计算。
  • 32位整数加法：ADD W0, W1, W2
  • 64位整数加法：ADD X0, X1, X2

5. 其他寄存器：

• 零寄存器：XZR和WZR，总是读取为0并忽略写入。XZR是64位的零寄存器，WZR是32位的零寄存器。
• 栈指针（stack pointer，SP）寄存器：栈指针寄存器是实现程序的运行时栈管理的关键组件，对于维护程序的执行流程和状态管理至关重要。
• 链接寄存器（Link Register，LR）：在计算机体系结构中是一个专用寄存器，主要用于存储函数调用的返回地址；在 AArch64 架构中，LR 通常被命名为 X30，而在其他架构中，它可能是一个单独的寄存器。
• 程序计数器（PC）：是 cpu 内部一个特殊的寄存器，程序计数器是 CPU 执行指令的基础，它确保了指令能够按正确的顺序被取出和执行。

6. 浮点寄存器：

• AArch64架构引入了SIMD（Single Instruction, Multiple Data）操作，通过矢量寄存器（Vector Registers）来支持高级的浮点运算和数据处理；
• AArch64提供了32个128位宽的浮点寄存器，编号从V0～V31；
• 每个浮点寄存器都是128位宽，足以存储两个64位的双精度浮点数或四个32位的单精度浮点数；

7. NEON 寄存器：

• 128 位宽，与浮点寄存器重叠使用，编号从 Q0 ～ Q31；
• AArch64 架构的 SIMD 指令集称为 NEON。NEON 寄存器（Q0 到 Q31）实际上是浮点寄存器的另一种视图，用于访问 SIMD 功能。
• 在 AArch64（ARMv8-A）架构中，浮点寄存器和 NEON 寄存器实际上是同一组寄存器，它们共用相同的物理寄存器集合，但是以不同的方式使用和访问。
• AArch64 提供了一组共用的 128 位寄存器，用于浮点和 SIMD（单指令多数据）操作。
• NEON 是 ARM 的 SIMD 指令集，用于处理向量运算。NEON 寄存器用于 SIMD 操作，可以对多个数据元素执行并行操作。

8. SVE 寄存器：

• 在 AArch64 架构中，Scalable Vector Extension（SVE）引入了新的寄存器类型，这些寄存器与传统的通用寄存器和浮点寄存器不同。
• SVE引入了可变长度的矢量寄存器，这些寄存器可以从128位扩展到2048位，以适应不同的计算需求；
• SVE寄存器（Z0-Z31）在低位与AArch64的SIMD&FP寄存器（V0-V31）共享硬件资源，但SVE提供了更高级的SIMD功能和更大的数据处理能力；
• 在 ARMv9 架构上发布的 SVE2 是 SVE 指令集的超集和扩展，提供了更多的指令和特性。

9. 系统寄存器：

• 控制 CPU 的各种系统级功能和行为；
• 系统寄存器不能直接用于数据处理或load/store指令。相反，需要将系统寄存器的内容读入通用寄存器X，对其进行操作，然后将其写回系统寄存器。有两个专门用来访问系统寄存器的指令MRS和MSR。
• 主要的系统寄存器：
  • 系统控制寄存器：SCTLR_ELx，用于控制系统行为，如缓存、页表遍历等；
  • 内存管理寄存器：TTBR0_ELx / TTBR1_ELx、TCR_ELx、VTTBR_EL2；
  • 异常链接寄存器：ELR_ELx；
  • 保存处理状态寄存器：SPSR_ELx；
  • 中断控制寄存器：DAIF、ICC_*；
  • 性能计数器寄存器：
  • 电源管理控制寄存器：
  • 虚拟化控制寄存器：
  • 安全控制寄存器：SCR_EL3
  • 调试和跟踪控制寄存器
  • 系统寄存器访问控制
  • 浮点控制寄存器：FPCR
• 系统寄存器命名：系统寄存器通常带有 _ELx 后缀，其中 x 表示异常级别（如 EL1、EL2、EL3）

数据处理指令

1. 算术运算指令：

• 加法：ADD、ADDS、ADDG
• 减法：SUB、SUBS、SUBP、SUBG、SUBPS 等
• 乘法：MUL、MADD、MNEG等
• 除法：UDIV、SDIV等

2. 逻辑运算指令：

• 逻辑与：AND
• 逻辑或：ORR
• 逻辑异或：EOR
• 位清除：BIC

3. 移位运算指令：

• 逻辑左移：LSL
• 逻辑右移：LSR
• 算术右移：ASR
• 循环右移：ROR

4. 比较指令：

• 比较：CMP
• 负向比较：CMN

5. 浮点操作指令：浮点操作遵循与整数数据处理指令相同的格式，并使用浮点寄存器。与整数数据处理指令一样，操作的大小决定了所使用的寄存器的大小。浮点指令的operation总是以 F 开头。

• 浮点加法：FADD
• 浮点减法：FSUB
• 浮点乘法：FMUL
• 浮点除法：FDIV
• 浮点平方根：FSQRT

数据加载与存储指令

在 AArch64 架构中，数据加载与存储指令用于在处理器和内存之间移动数据。

1. 加载寄存器：

• LDR: 从内存中加载数据到寄存器。它可以用于加载字节、半字、字或双字数据。

2. 存储寄存器：

• STR: 将数据从寄存器存储到内存。与 LDR 相对应，它也可以用于存储不同大小的数据。

c++ 中使用汇编方法

1. 内联汇编
2. 外部汇编文件
3. 内联汇编与 c++混用
4. 使用宏定义