AArch64 Instruction Set
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
- 相較於 CISC (complex instruction set computer)
- David Patterson 發現整個指令集，只有20%的指令常常被用到，但占整個程式 80%，因此主張硬體應該專心加速常用指令，複雜指令用常用指令組合。
- RISC 的特性1：指令長度固定，優點是方便解碼，可以簡化設計，且 Pipeline 成效好；缺點是程式可能變大，占用記憶體較多，需要更多時間載入到處理器中。
- RISC 的特性2：泛用的暫存器，所有暫存器可用於所有內容，以及編譯器設計的單純化，但暫存器中區分了整數和浮點。
- RISC 的特性3：Load-Store架構，處理器不會對內存操作，所有計算都在暫存器完成。暫存器和內存的溝通，用其他指令完成。
ARM (Advanced RISC Machine)
- Armv8-A 有兩種執行狀態 AArch64 和 AArch32
- AArch64：執行 A64 指令集，使用 64bit 暫存器，但是指令的長度還是固定32bit。
- AArch32：執行 A32/T32指令集，使用 32bit 暫存器，大部分架構使用32bit定長指令集。以前有 Thumb 執行狀態，使用 16bit。
Registers in AArch64
General-purpose integer registers (R0-R30, X0~X32, W0~W30)
- The architecture provides 31 general purpose registers (
R0..R30). - Each register can be used as a 64-bit
Xregister (X0..X30), or as a 32-bitWregister (W0..W30). These are two separate ways of looking at the same register. - When a
Wregister is written, as seen in the example above, the top 32 bits of the 64-bit register are zeroed.
W0 is the bottom 32 bits of X0, and W1 is the bottom 32 bits of X1
Floating-point/SIMD/NEON registers
- There is a separate set of 32/16 registers used for floating point and vector operations. These registers are 128-bit, but like the general-purpose registers, can be accessed in several ways.
Bxis 8 bits,Hxis 16 bits and so on toQxwhich is 128 bits. - These registers can also be referred to as
Vregisters. When theVform is used, the register is treated as being a vector. This means that it is treated as though it contains multiple independent values, instead of a single value.
The NEON unit can view the same register bank as:
- sixteen 128-bit quadword registers, Q0-Q15
- thirty-two 64-bit doubleword registers, D0-D31.
System registers (end with _ELx, EL1, EL2, EL3)
- System registers are used to configure the processor and to control systems such as the MMU and exception handling.
- System registers cannot be used directly by data processing or load/store instructions. Instead, the contents of a system register need to be read into an
Xregister, operated on, and then written back to the system register. - There are two specialist instructions for accessing system registers:
MRSandMSR.
MRS Xd, <system register> //reads the system register into Xd
MSR <system register>, Xn //write Xn to the system register.Data Processing
Arithmetic and logic operations
- MADD (Multiply-add): Multiply-Add multiplies two register values, adds a third register value, and writes the result to the destination register.
- MLA (Multiply-add to accumulator)
- 邏輯左移 LSL (Logical shift left)，ASL 和 LSL 是等校的，都是補0。
- 算術右移 ASR (Arithmetic shift right)，用原先左側的符號位補齊，例如：10000000 如果算術右移7位，會變成 11111111。邏輯右移 LSR (Logical shift right)就是左側直接補0，變成00000001。
- 下面那個操作和有號數(二補數)相關，正數和0的二補數表示法就是該數字本身，負數則是將其對應正數按位元取反再加1，但是數字a（正負數皆可）的二補數操作即為 -a。
- 負數的二補數相當於和0的距離，和0的距離越近數字越大，例如：-1 等於 1111。這也是為什麼二補數的正負數可以直接做加減法的原因 (正數可以拉近負數和0的距離)。
- 但是為什麼要做
add r0, r0, r0, lsr #31，原因就是為了處理ASR 負數奇數的 case。
例如4-bit中
-6(1010) 做 ASR #1 等於 -3(1101)
看起來沒問題，但是
-5(1011) 用 ASR #1 等於 -3(1101)
無意間被進位了，所以需要(-5 + 1)
-4(1100) 用 ASR #1 等於 -2(1110)
Bingo!因為最左邊的bit如果是1被棄掉，等於被拉遠和0的距離
所以先 +1 把那個距離補回來(compiler傑出的一手)。
Floating point
- FMOV Wd, Sn ; Single-precision to 32-bit
- FMOV Sd, Wn ; 32-bit to single-precision
- FJCVTZS Wd, Dn ; Floating-point Javascript Convert to Signed fixed-point rounding toward Zero = round-down (無條件捨去).
Loop
- x86: [ebp-4] 是 sum, [ebp-8] 是 i, [ebp+8] 是 arg1 count，透過 cmp 設 flag 然後 jump 根據 flag 判斷條件。
- arm: r0 是 sum, r3 是 i, r2 是 count，透過 cmp 和 branch 來判斷條件。
NEON Instructions
- It extends the SIMD (Single Instruction Multiple Data) concept by defining groups of instructions operating on vectors stored in 64-bit D, doubleword, registers and 128-bit Q, quadword, vector registers.
- Using vector instructions can produce a very large performance boost for some operations.
- NEON supports 8-bit, 16-bit, 32-bit, and 64-bit signed and unsigned integers, and 32-bit single-precision floating point elements , and 8-bit and 16-bit polynomials.
VMULL.S16 Q0, D2, D3平行把 D2 (4 個 16-bit 的浮點數) 和 D3 的相乘的結果，存在 128-bit 長的 (4 個 32-bit) Q0 中。
Addressing
Function calls
X86 Stack Frame
- Stack 是由高位往低位長。因為 ESP 會一直指向 Top of stack，所以 function 一開始會先將舊的 EBP 存起來，然後把當下的 ESP 存入 EBP，整個 function 就這個 EBP 來 offset (EBP-4就是第一個local variable)，等到結束時再把舊的 EBP 存回去，返回透過 EAX。
高地址 stack bottom
Function arg N +4N(%ebp)
Function arg 2 +12(%ebp)
Function arg 1 +8(%ebp)
Return Address(saved eip) +4(%ebp)
Old EBP Value (%ebp)
Local Variable -4(%ebp)
(%esp)
低位址 stack toppush ebp ; 保存當前 ebp
mov ebp,esp ; EBP設為當前堆棧指針
sub esp, n ; 預留n byte給函數Local變數(可能有padding)
如此一來EBP也形成一個框架指針(frame pointer)
ARM Stack Frame
- ldr (load register): 從記憶體載入資料到 register
- str (store register): 從 register 存回記憶體。
- ARM 的 fp (Frame Point) 可以類比為 X86 的 EBP。function 開始前先把原本的 fp 存到 stack (#-4)，然後把 sp 存到 fp，然後產生一個 12 bytes 的 stack frame.
- 採用 B 系列指令來跳轉，其中 BL 指令將返回地址存在 LR register (Link Register)。
- 參數透過 R0~R7傳入，如果超過8個，就要從後面的參數開始 push stack，最後返回透過 R0~R1。
Register
R0: 參數1
R1: 參數2
(略)
R7: 參數8
LR: return address高地址 stack bottom
參數 11
參數 10
參數 9
低位址 stack top
x86 eip (Instruction Pointer) vs arm pc (Program Counter)
- 在大部分的處理器中，指令指標都是在提取程式指令後就被立即增加， 內容存放處理器要提取(fetch, not execute)的下一道指令位址
- 從 disassembly 的程式看不出 x86 有把 saved eip 放入 stack，是因為 call 這個 instruction 自動會把 eip push onto stack。之後在 ret 的時候會 pop the most top value of stack 並存入 eip。
- arm 的 disassembly 也看不出來，因為被藏在 bl 。bl (Branch With Link) 具體做了兩件事，第一件事把下一條指令的 address 寫到 lr，第二件事把 hello() 函式的 address 寫入 pc。
- arm 可以利用 adr 指令將基於 pc 的相對偏移 address 讀到目標 register，如果用
.等效讀取 pc 的值。
ADR Xd, .
