作者簡介

周文嘉，目前就職于某國產(chǎn) AI GPU 芯片公司，曾服務(wù)于 ARM、阿里巴巴、HTC 等公司，擁有 10 年以上工作經(jīng)驗(yàn)，主要從事系統(tǒng)軟件開發(fā)，涵蓋系統(tǒng)庫開發(fā)、指令集優(yōu)化、Linux內(nèi)核開發(fā)等，為某些開源社貢獻(xiàn)過一定數(shù)量的補(bǔ)丁，擔(dān)任 Free time team 創(chuàng)始人，致力于免費(fèi)教育事業(yè)。

邵靖杰，目前就職于某國產(chǎn)大型機(jī) ARM CPU 研究所，主要從事眾核處理器的系統(tǒng)級緩存研發(fā)工作。

張健，先后在 SUSE、華為、區(qū)塊鏈創(chuàng)業(yè)公司、寒武紀(jì)等公司工作，擔(dān)任工程師、架構(gòu)師、技術(shù)合伙人等，研究方向包括 ARM、Linux 發(fā)行版、Linux 內(nèi)核、RISC-V 和虛擬化。

……

目錄

1.2 AArch64 寄存器堆................................2

1.2.1 通用寄存器 ...................................2

1.2.2 特殊寄存器 ...................................2

1.2.3 系統(tǒng)控制寄存器 ...........................2

1.2.4 處理器狀態(tài) ...................................3

1.2.5 函數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn) ...............................4

作為 RISC 架構(gòu)，AArch64 提供了大量的通用寄存器。除通用寄存器之外，本節(jié)還會介紹特殊寄存器、系統(tǒng)控制寄存器、處理器狀態(tài)、函數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1 通用寄存器

通用寄存器分為兩類。其中一類寄存器包括 X0～X30，用于普通的指令集，每個(gè)寄存器都有 64 位（Xn）和 32 位（Wn）兩種表示形式。其中 32 位的表示形式是 64 位表示形式的低 32位。另一類寄存器包括 V0～V31，用于浮點(diǎn)運(yùn)算、SIMD、crypto 等領(lǐng)域。每個(gè)寄存器長度都是128 位（Qn），它們有 64 位（Dn）、32 位（Sn）、16 位（Hn）、8 位（Bn）這 4 種表示形式。以 X0 和 V0 為例，X0 是 64 位寄存器，它的低 32 位是 W0。V0 也稱為 Q0，Q0 是一個(gè)128 位的寄存器，它的低 64 位稱為 D0，它的低 32 位稱為 S0，它的低 16 位稱為 H0，它的低8 位稱為 B0，如圖 1.1 所示。

1.2.2 特殊寄存器

XZR 和 WZR 分別對應(yīng) 64 位與 32 位的零寄存器。對這些寄存器進(jìn)行讀操作，將會獲取到0；對這些寄存器進(jìn)行的寫操作將會被處理器忽略。與 ARM 的 32 位架構(gòu)不同，PC 寄存器已經(jīng)不再是一個(gè)通用寄存器，無法直接訪問。ARM 指令的長度是 4 字節(jié)，因此對于 ARMv8 上的純 ARM 指令來說，PC 寄存器是按字節(jié)對齊的。SP 寄存器也不再是一個(gè)通用寄存器，SP寄存器強(qiáng)制按 16 字節(jié)對齊。

1.2.3 系統(tǒng)控制寄存器

ARM 的系統(tǒng)控制寄存器都以“_ELx”為后綴，其中“x”表示某異常級別（Exception Level，EL）的一個(gè)數(shù)字，如 SCTLR_EL1。后綴的數(shù)字意味著能夠訪問該寄存器的最低異常級別，ARM的系統(tǒng)控制寄存器如表 1.1 所示。

MRS 和 MSR 指令用于讀寫系統(tǒng)控制寄存器，示例代碼如下。

MRS    X0, SCTLR_EL1     // X0 = SCTLR_EL1 MSR    SCTLR_EL1, X0     // SCTLR_EL1 = X0

常用的系統(tǒng)控制寄存器及其功能如表 1.2 所示。

ARM 的系統(tǒng)控制寄存器數(shù)量龐大，詳細(xì)的介紹可以參考文檔 DDI0487F_b_ARMv8_arm.pdf。

1.2.4 處理器狀態(tài)

AArch64 通過 PSTATE（process state）的標(biāo)志位來保存處理器的狀態(tài)，處理器執(zhí)行指令的時(shí)候，可以讀取和設(shè)置這些標(biāo)志位。這些標(biāo)志位既可以通過 mrs/msr 指令進(jìn)行訪問，也可以通過 DAIFSet、DAIFClr、SPSel、PAN、UAO 等指令直接訪問。PSTATE 寄存器的標(biāo)志位如表 1.3 所示。

1.2.5 函數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)

1．AArch64 基本指令集函數(shù)調(diào)用規(guī)則

AArch64 提供了 31 個(gè) 64 位的通用寄存器 X0～X30，SP 寄存器已經(jīng)變成了一個(gè)專用寄存器。這些寄存器的描述如表 1.4 所示。

值得注意的是，X16 和 X17 寄存器在動(dòng)態(tài)鏈接的時(shí)候，可能會被某些鏈接器用于實(shí)現(xiàn)特殊功能。X18 寄存器在 Darwin 和 Windows 平臺上會保留作為平臺寄存器使用。在代碼優(yōu)化的時(shí)候，這 3 個(gè)寄存器要謹(jǐn)慎使用。

2．AArch64 NEON

指令集函數(shù)調(diào)用規(guī)則 AArch64 提供了 32 個(gè) 128 位的寄存器（V0～31），可以用來進(jìn)行 SIMD 和浮點(diǎn)運(yùn)算。其中，V0～V7 這 8 個(gè)寄存器用來傳遞參數(shù)和函數(shù)返回值，V8～V15 這 8 個(gè)寄存器需要由被調(diào)函數(shù)保存（只需要保存這些寄存器的低 64 位即可）。D8～D15 是 V8～V15 寄存器的低 64 位，因此通過如下的代碼片段保存 D8～D15 的內(nèi)容，就可以在函數(shù)中使用 V0～V31 這 32 個(gè)寄存器了。

stp        d8, d9, [sp, -192]! 
stp        d10, d11, [sp, 16] stp        d12, d13, [sp, 32] stpd14,d15,[sp,48]

3．AArch64 SVE

指令集函數(shù)調(diào)用規(guī)則 如果平臺支持 SVE 擴(kuò)展，那么 AArch64 會提供 32 個(gè)可變長的向量寄存器 Z0～Z31。每個(gè)寄存器都可以用來進(jìn)行 SIMD 和浮點(diǎn)運(yùn)算，其中 Z0～Z7 用來傳遞參數(shù)和函數(shù)返回值。Z8～Z15 這 8 個(gè)寄存器需要由被調(diào)函數(shù)保存（只需要保存這些寄存器的低 64 位即可）。AArch64 還為 SVE 提供了 16 個(gè)斷言寄存器 P0～P15，其中 P0～P3 這 4 個(gè)寄存器用來傳遞參數(shù)和函數(shù)返回值。

審核編輯：湯梓紅