ARM64体系结构编程1-加载与存储指令

基本概念

ARM 体系结构是一种硬件规范，主要用来约定指令集，为了降低客户基于 ARM 体系结构开发处理器的难度，ARM 根据不同的应用开发需求开发出箭筒体系结构的处理器 IP，然后授权给客户，比如 ARMv8 体系结构开发出的处理器 IP 有：Cortex-A53, Cortex-A55, Cortex-A72, Cortex-A73,.

ARMv8 体系结构特性

提供超过 4G 物理内存空间
具有 64 位宽的虚拟地址空间，32 位宽的虚拟地址空间只能供 4GB 大小的虚拟空间访问，限制了桌面操作系统和服务器的应用。

ARMv8 体系结构包含多少个通用寄存器？

提供 31 个 64 位宽的通用寄存器。分别是 X0~X30 。可以减少对栈的访问，从而提高性能。
提供 16KB 和 64KB 的页面，有助于降低 TLB 的未命中率。
具有全新的异常处理模型，降低操作系统和虚拟化的实现复杂度。

A64 指令集和 A32 指令集是不兼容的，它们是完全不一样的指令集，它们的指令编码时不一样的，另外 A64 指令集的指令宽度是 32 位，而不是 64 位。

ARMv8 处理器支持两种执行状态， AArch64 和 AArch32 ,当处理器在 AArch64 状态时，运行 A64 指令集，而处理器在 AArch32 状态时，运行 A32 和 T32 指令集，

AArch64 执行状态包含多少个异常等级？分页有什么作用？

AArch64 执行状态的异常等级确定了处理器当前运行的特权级别，类似特权等级。

EL0: 用户特权，用于运行普通用户程序
EL1: 系统特权，通常用于操作系统内核，如果系统使能了虚拟化扩展，运行虚拟机操作系统内核。
EL2: 运行虚拟化扩展的虚拟机监控器
EL3: 运行安全世界中的安全监控器

ARMv8 支持的数据宽度

字节（byte）: 8位
半字（halfword）: 16位
字（word）：32位
双字（doubleword）: 64位
四字（quadword）： 128位

ARMv8 寄存器

31个通用寄存器

在 AArch64 状态下，使用 X(X0、X30) 表示 64 位通用寄存器，另外可以使用 W 来表示低 32 位的数据，如 W0 表示 X0 寄存器的低 32 位数据， W1 表示 X1 寄存器的低 32 位数据。

处理器的状态

AArch64 体系结构使用 PSTATE 寄存器来保存当前处理器状态

条件标志位： N（负位） Z（零位） C（进位） V（溢出标志位）

特殊寄存器

零寄存器

ARMv8 有两个零寄存器，这些寄存器的内容全是 0 ，可以用作源寄存器，也可以用作目标寄存器。WZR 是32位的零寄存器，XZR 是64位的零寄存器。

PC 指针寄存器

通常用来指向当前运行指令的下一条指令的地址，用于控制程序的运行顺序。

SP 寄存器

ARMv8 支持 4 个异常等级，每个异常等级都有一个 SP 寄存器

- SP_EL0: EL0 下的 SP 寄存器（最低等级）
- SP_EL1: EL1 下的 SP 寄存器
- SP_EL2: EL2 下的 SP 寄存器
- SP_EL3: EL3 下的 SP 寄存器

当处理器运行在 EL0 时，它只能访问 SP_EL0 ,不能访问其他高级的 SP 寄存器。

备份程序状态寄存器

当我们运行一个异常处理程序时，处理器的备份程序会保存到备份程序状态寄存器（SPSR）里面，当异常要发生时，处理器会把 PSTATE 寄存器的值暂时保存到 SPSR 里，当异常处理完成返回时，再把 SPSR 寄存器的值恢复到 PSTATE 寄存器。

存放异常返回地址

CurrentEL 寄存器

表示 PSTATE 寄存器中的 EL 字段（当前异常等级），该寄存器保存了当前的异常等级，可以使用 MRS 指令读取当前异常等级。

DAIF 寄存器

表示 PSTATE 寄存器中的{D, A, I, F}字段（异常掩码标志位）。

SPSel 寄存器

表示 PSTATE 寄存器中的 SP 字段，用于选择某个 SP_ELn 寄存器。

PAN 寄存器

表示 PSTATE 寄存器中 PAN(特权禁止访问)字段。可以通过 MSR 和 MRS 指令来设置 PAN 寄存器，主要是为了防止内核态恶意访问用户态内存而新增的，所以需要调用内核提供的结构，比如 copy_from_user() 或者 copy_to_user() 函数。

0: 表示在内核态可以访问用户态内存

1：表示在内核态访问用户态内存会触发一个访问权限异常

UAO 寄存器

表示 PSTAYE 寄存器中的 UAO (用户访问覆盖) 字段。同样可以使用 MSR 和 MRS 指令来设置，

UAO=1 时，表示在 EL1 和 EL2 执行非特权指令（例如 LDTR 和 STTR）的效果和特权指令（例如 LDR、STR）是一样的。

NACV 寄存器

表示 PSTATE 寄存器中的{N, Z, C, V}字段 (条件标志位)。

系统寄存器

系统寄存器支持不同的异常等级的访问，通常系统寄存器会使用“Reg_ELn"的方式来表示

Reg_EL1: 处理器处于 EL1、EL2 和 EL3 时可以访问该寄存器
Reg_EL2: 处理器处于 EL2 和 EL3 时可以访问该寄存器

除了 CTR_EL0 ，大部分系统寄存器不支持处理器处于 EL0 时范访问。

加载与存储指令

在 ARMv8 体系结构下，所以的数据都需要在通用寄存器中完成，而不能直接在内存中完成，因此，首先把待处理的数据从内存加载到通用寄存器，再进行数据处理，最后再把结果写入到内存中。

LDR 内存加载指令
STR 存储指令

LDR 目标基础漆，<存储器地址>   //把存储器地址中的数据加载到目标寄存器中
STR 源寄存器， <存储器地址>    //把源寄存器的数据存储到存储器中

基于基地址的寻址模式

基地址模式

使用寄存器的值来表示一个地址
把这个内存地址的内容加载到通用寄存器中

LDR Xt, [Xn]  //把 Xn 寄存器中的内容作为内存地址，并把这个内存地址的内容加载到 Xt 寄存器中STR xt, [Xn]  //把 Xt 寄存器中的内容存储到 Xn 寄存器的内存地址中

基地址+偏移地址模式

基地址 + 偏移地址 = 内存地址
把这个内存地址的值加载到通用寄存器中

LDR Xt, [Xn. #offset] //Xn寄存器中的内容加一个偏移量（offset 必须是 8 的倍数），以相加的结果作为内存地址，加载这个内存地址的内容到 Xt 寄存器中。STR Xt，[Xn. #offset]  //把 Xt 寄存器的值存储到以 Xn 寄存器的值加一个偏移量表示的内存地址中

基地址扩展模式

LDR <Xt>, [<Xn>, (<Xm>) {, <extend> {<amount>}}]STR <Xt>, [<Xn>, (<Xm>) {, <extend> {<amount>}}]

Xt: 目标寄存器
Xn：基地址寄存器
Xm，偏移的寄存器
extend：扩展/移位指示符，默认是 LSL（逻辑左移），UXTW（从寄存器中提取32位，其余高位填充0），SXTW（从寄存器中提取32位，其余高位须有符号扩展），SXTX（从寄存器中提取64位数据）
amount：索引偏移量，当 extend 不是 LSL 时有效

LDR X0, [X1, X2 LSL #3]   //内存地址为 X1 寄存器的值（X2 寄存器的值<<3），加载这个内存地址的值到 X0 寄存器LDR X0, [X1, W2, SXTW, #3]  //先对 W2 的值做有效符号扩展，然后左移 3 位，和 X1 寄存器的值相加后得到内存地址，加载这个内存地址的值到 X0 寄存器

变基模式

前变基模式：先更新偏移量地址，后访问内存地址
后变基模式：先访问内存地址，后更新偏移量地址

前变基模式

内存加载指令

LDR Xt, [<Xn|SP>, #<simm>]

首先，Xn/SP 寄存器的值 = Xn/SP 寄存器的值 + simm
以新的 Xn/SP 寄存器的值作为内存地址，并加载这个内存地址的值到 Xt 寄存器

存储指令

STR Xt, [<Xn|SP>, #<simm>]

首先，Xn/SP 寄存器的值 = Xn/SP 寄存器的值 + simm
以新的 Xn/SP 寄存器的值作为内存地址，然后把 Xt 寄存器的值存储到这个内存单元中

后变基模式

内存加载指令

LDR Xt, [<Xn|SP>, #<simm>]

首先，加载 Xn/SP 寄存器的值到 Xt 寄存器
然后更新，Xn/SP 寄存器的值 = Xn/SP 寄存器的值 + simm

存储指令

STR Xt, [<Xn|SP>, $<simm>]

首先，将 Xt 寄存器的值加载到 Xn/SP 寄存器的值为内存地址的内存单元中
然后更新，Xn/SP 寄存器的值 = Xn/SP 寄存器的值 + simm

易混例子

//（X1的值不变）
LDR X0, [X1, #8]    //内存地址为 X1的值+8，加载此内存地址的值到 X0 寄存器//（X1的值改变）
LDR X0, [X1, #8]!    //前变基模式，先更新 X1 寄存器的值 = X1 寄存器的值 + 8，然后将 X0 的值加载到新的 X1 寄存器值对应的内存单元中//（X1的值改变）
LDR X0, [X1], #8     //后变基模式，以 X1 的值作为内存地址，加载该内存地址的值到 X0 中，然后更新 X1 寄存器的值 = X1 寄存器的值 + 8STP X0， X1, [SP, #-16]!   //把 X0 和 X1 寄存器的值压回栈中LDP X0, X1, [SP], #16     //把 X0 和 X1 寄存器的值抬出栈

PC相对地址模式

可以使用 lable 标签来标记代码片段，LDR 指令可以访问标签的地址

LDR Xt <label>

读取 label 所在内存地址的内存到 Xt 寄存器中，但是这个 label 必须在当前 PC地址后 1MB 的范围内，否则会报错。

my_data:.word 0x40
ldr x0, my_data  // 最终 X0 寄存器的值为 0x40

假设当前 PC 的地址是 0x806E4, 那么这条 LDR 指令读取 0x806E4 + 0x20 地址的内容到 X6 寄存器中。

#define MY_LABEL 0x20
ldr x6, MY_LABEL// error 0x100000 的偏移量超超出 1MB 范围
#define MY_LABEL_1 0x100000
ldr x6, MY_LABEL_1

LDR 伪指令

伪指令是对汇编器发出的指令，伪指令可以分解为几条指令的集合。

LDR 指令既可以在大范围内加载地址的伪指令，也可以是普通的内存访问指令。当第二个参数前面有 “=” 时，表示伪指令，否则表示普通的内存访问指令。

LDR Xt, =<label>  //把label标记的地址加载到 Xt 寄存器#define MY_LABEL 0x20
ldr x6, =MY_LABEL
//这里的 ldr 是一条伪指令，它会把 MY_LABEL 宏的值加载到 X6 寄存器中my_data1:.quad 0x8
ldr x5, =my_data1
ldr x6, [x5]
//my_data1 定义了一个数据为 0x8，第一条 LDR 是伪指令，它把 my_data1 对应的地址加载到 X5 寄存器中
//第二条 LDR 是普通的内存访问指令，以 X5 寄存器的值为内存地址，加载这个地址的内容到 X6 中

简而言之，伪指令是把地址给目标寄存器，而普通指令是把地址的值给目标指令

linux 内核的 head.S 中，启动 MMU 之后就使用这个特性实现从运行地址定位到链接地址。

secondary_startup:   bl  __cpu_secondary_check52bitvabl  __cpu_setup  // initialise processorbl  __enable_mmu  ldr x8, =__secondary_switched  //跳转到__secondary_switched函数，该函数的地址是链接地址（内核空间的虚拟地址），// 在这之前CPU运行在实际物理地址上，实现了地址重定位功能br  x8
ENDPROC(secondary_startup)