汇编语言之ARM64汇编

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寄存器

CPU除了有控制器、运算器还有寄存器。其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储。

CPU的运算速度是非常快的，为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域，并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中，运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存器。

对于arm64系的CPU来说， 如果寄存器以x开头则表明的是一个64位的寄存器，如果以w开头则表明是一个32位的寄存器，在系统中没有提供16位和8位的寄存器供访问和使用。其中32位的寄存器是64位寄存器的低32位部分并不是独立存在的。

高速缓存

iPhoneX上搭载的ARM处理器A11它的1级缓存的容量是64KB，2级缓存的容量8M.

CPU每执行一条指令前都需要从内存中将指令读取到CPU内并执行。而寄存器的运行速度相比内存读写要快很多,为了性能,CPU还集成了一个高速缓存存储区域.当程序在运行时，先将要执行的指令代码以及数据复制到高速缓存中去(由操作系统完成).CPU直接从高速缓存依次读取指令来执行.

通用寄存器

  • ARM64拥有有31个64位的通用寄存器 x0 到 x30,这些寄存器通常用来存放一般性的数据，称为通用寄存器（有时也有特定用途）
    • 那么w0 到 w28 这些是32位的. 因为64位CPU可以兼容32位.所以可以只使用64位寄存器的低32位.
    • 比如 w0 就是 x0的低32位!

数据地址寄存器

数据地址寄存器通常用来做数据计算的临时存储、做累加、计数、地址保存等功能。定义这些寄存器的作用主要是用于在CPU指令中保存操作数，在CPU中当做一些常规变量来使用。
ARM64中

  • 64位: X0-X30, XZR(零寄存器 ,里面存放数据0)
  • 32位: W0-W30, WZR(零寄存器)

注意:
有一种特殊的寄存器段寄存器:CS,DS,SS,ES四个寄存器来保存这些段的基地址,这个属于Intel架构CPU中.在ARM中并没有

浮点和向量寄存器

因为浮点数的存储以及其运算的特殊性,CPU中专门提供浮点数寄存器来处理浮点数

  • 浮点寄存器 64位: D0 - D31 32位: S0 - S31

现在的CPU支持向量运算.(向量运算在图形处理相关的领域用得非常的多)为了支持向量计算系统了也提供了众多的向量寄存器.

  • 向量寄存器 128位:V0-V31

PC寄存器(program counter)

为指令指针寄存器, 它指示了CPU当前要读取指令的地址, 类似于x86汇编种的cs+ip

SP和FP寄存器

  • sp寄存器在任意时刻会保存我们栈顶的地址.
  • fp寄存器也称为x29寄存器属于通用寄存器,但是在某些时刻我们利用它保存栈底的地址!()

注意:ARM64开始,取消32位的 LDM,STM,PUSH,POP指令! 取而代之的是ldr\ldp str\stp
ARM64里面 对栈的操作是16字节对齐的!!

关于内存读写指令

注意:读/写 数据是都是往高地址读/写 也就是sp指针是从高地址往低地址移动但是指向的数据是往高地址读写，堆指针是从低往高地址移动，堆和栈各占一头，两个指针相撞则抛出堆栈内存溢出

str(store register)指令

将数据从寄存器中读出来,存到内存中.

ldr(load register)指令

将数据从内存中读出来,存到寄存器中

此ldr 和 str 的变种ldp(pair) 和 stp(pair) 还可以操作2个寄存器.

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;利用栈进行数据交换
.text
.global _A
_A:
	sub sp,sp,#0x20 ;sp=sp-0x20 开辟一个32字节的占空间
	stp x0,x1,[sp,#0x10] ;然后将x0和x1中的数据存入sp+0x10所指向的栈空间 []相当于是获取指定地址的空间,不会改变sp原来的值,如果想改变sp的值只需在末尾加上!  也就是[sp,#0x10]! 即可
	ldp x1,x0,[sp,#0x10] ;读取sp+0x10这块栈空间中的数据存放至x1，x0寄存器中
	add sp,sp,#0x20 ；栈平衡， 释放内存空间
	ret ;返回至调用指令下一行

stur指令: 偏移量为减时使用 . stur w0, [x29, #0x8] 偏移量为负的 将寄存器w0的值存入x29 - 0x8 的内存地址

[sp]: sp保存栈空间的地址值, [sp]表示取值,获取所对应的空间 和8086中的[bx]是类似的

另外 汇编简写

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stp x29,x30,[sp,#-0x10]! ;尾部多了一个!号

;相当于一下两行代码
sub sp,sp,#0x10
stp x29,x30,[sp]
;或者直接理解为加了!号的sp值会发生改变


ldp x29,x30 ,[sp],#x010
;相当于以下两行代码
ldp x29,x30,[sp]
add sp,#0x10

bl指令

  • CPU从何处执行指令是由pc中的内容决定的，我们可以通过改变pc的内容来控制CPU执行目标指令
  • ARM64提供了一个mov指令（传送指令），可以用来修改大部分寄存器的值，比如
    • mov x0,#10、mov x1,#20
  • 但是，mov指令不能用于设置pc的值，ARM64没有提供这样的功能
  • ARM64提供了另外的指令来修改PC的值，这些指令统称为转移指令，最简单的是bl指令

类似于x86汇编中的, call

bl标号

  • 将下一条指令的地址放入lr(x30)寄存器
  • 转到标号处执行指令

ret

  • 默认使用lr(x30)寄存器的值,通过底层指令提示CPU此处作为下条指令地址!

ARM64平台的特色指令,它面向硬件做了优化处理的

x30寄存器

x30寄存器存放的是函数的返回地址.当ret指令执行时刻,会寻找x30寄存器保存的地址值!

注意:在函数嵌套调用之前的时候.需要将x30入栈!

arm代码示例

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.text ;代码段
.global _A,_B ;定义两个全局函数 A和B

_A:
	mov x0 ,#0xa0 ;arm汇编中数据用#开头
	mov x1 ,#0x00
	add x1 ,x0,#0x14 ;x1=x0+0x14
	ret  ;返回到bl指令所对应的下一条指令
	
_B:
	add x0, x0,#0x10
	ret

寄存器和栈

寄存器是全局容器,所有函数共用,但是栈不一样,一个函数占用独有的栈空间, 在各个函数嵌套调用时,寄存器很容易被覆盖读写,这个时候为了保持寄存器的数据不被改变,通常结合栈临时保存寄存器中的值,然后函数ret之前将数据恢复,这样就能确保上一个函数的数据不被改变,也就是实现了将寄存器当做局部变量使用

栈的对齐

ARM64里面 对栈的操作是16字节对齐的, 也就是一次开辟栈空间至少是16字节, 或者是16的倍数, 如果不是这个值会报错

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.text ;代码段
.global _A,_B ;定义两个全局函数 A和B

_A:
	mov x0 ,#0xaaaa ;arm汇编中数据用#开头
	str x30,[sp,#-0x10]! ;在调用下一个函数之前临时保存lr寄存器中的地址, lr保存bl _A的下一条指令地址
	bl _B
	mov x0,#0xcccc
	ldr x30,[sp],#0x10 ;lr恢复
	ret  ;返回到bl指令所对应的下一条指令
	
_B:
	add x0, x0,#0x10
	ret

既然sp一次最少拉伸16个字节, 那么以下函数需要拉伸多少空间:

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void sum(int a, int b){
    int c=3;
    int c=4;
    int c=5;
  
}

由于int类型的数据占用4个字节空间, 这里一共有5个int,那么需要占用5*4=20个字节的空间, 那么sp一次性拉伸0x20也就是32字节的栈空间

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16位寄存器-->最大装2个字节数据-->0xFFFF
32位寄存器-->最大装4个字节数据-->0xFFFFFFFF
64位寄存器-->最大装8个字节数据-->0XFFFFFFFFFFFFFFFF

如果函数里面又调用了函数,那么sp拉伸多少呢?

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void sum(int a, int b){
    int c=3;
    int c=4;
    int c=sumb(a,b);
  
}

由于bl调用函数之前会复写x30(lr)寄存器中的值, 所以需要将x29和x30寄存器进行临时保护, 这两个寄存器占用16个字节, 加上sum函数的局部变量和参数所占的16个字节,一共是32个字节

叶子函数

函数体中没有调用其他函数的函数称之为叶子函数,又称为末尾函数

这种函数在编写汇编代码时可以省略使用栈空间, 栈空间是为了临时保护数据不被下一个函数污染, 叶子函数不存在这种风险,所以不需要进行保护处理,直接使用寄存器即可

ARM64方法返回值

ARM64下,函数的参数通常情况下是存放在X0到X7(W0到W7)这8个寄存器里面的.如果超过8个参数,就会入栈.(一是跟参数个数有关,另外还更数据结构有关,指针占用8个字节刚好一个64位寄存器, 如果仓鼠类型超出8个字节,即存放到其他地方,比如栈空间)
函数的返回值通常情况下是放在X0 寄存器里面的.

orr指令

称为或指令, 进行或运算, https://blog.csdn.net/qq_39416311/article/details/102762635

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orr w8,wzr,#0x1  ;将立即数0x1和0进行或运算, 然后复制给w8

函数嵌套复用

假如有两个函数A和B,它们的调用链为:A–>B–>A

在高级语言中,A函数进行了复用,但是在汇编当中并没有复用的概念,每调用一个函数便开辟一次栈空间, 因此哪怕是调用同一个函数,如果递归嵌套次数过多,就会造成内存溢出

状态寄存器(标记寄存器)

cpsr(current program status registers)寄存器

CPSR和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义.而CPSR寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息.

要想在算数运算是影响标记寄存器的值,必须在指令后面加上s,比如:

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add--->adds
sub--->subs

注:CPSR寄存器是32位的

  • CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，程序无法修改,除非CPU运行于特权模式下,程序才能修改控制位!
  • N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行!意义重大!

N（Negative）标志

CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为负.如果为负 N = 1,如果是非负数 N = 0.

   注意,在ARM64的指令集中,有的指令的执行时影响状态寄存器的,比如add\sub\or等,他们大都是运算指令(进行逻辑或算数运算)；

Z(Zero)标志

CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为0.如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0,那么Z = 0.

   对于Z的值,我们可以这样来看,Z标记相关指令的计算结果是否为0,如果为0,则N要记录下”是0”这样的肯定信息.在计算机中1表示逻辑真,表示肯定.所以当结果为0的时候Z = 1,表示”结果是0”.如果结果不为0,则Z要记录下”不是0”这样的否定信息.在计算机中0表示逻辑假,表示否定,所以当结果不为0的时候Z = 0,表示”结果不为0”。

C(Carry)标志

CPSR的第29位是C，进位标志位。一般情况下,进行无符号数的运算。
加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。
减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。

   对于位数为N的无符号数来说，其对应的二进制信息的最高位，即第N - 1位，就是它的最高有效位，而假想存在的第N位，就是相对于最高有效位的更高位。如下图所示：

进位

   我们知道，当两个数据相加的时候，有可能产生从最高有效位想更高位的进位。比如两个32位数据：0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa,将产生进位。由于这个进位值在32位中无法保存，我们就只是简单的说这个进位值丢失了。其实CPU在运算的时候，并不丢弃这个进位制，而是记录在一个特殊的寄存器的某一位上。ARM下就用C位来记录这个进位值。比如，下面的指令

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mov w0,#0xaaaaaaaa；0xa 的二进制是 1010
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 1010 << 1 进位1（无符号溢出） 所以C标记 为 1
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 0101 << 1 进位0（无符号没溢出） 所以C标记 为 0
adds w0,w0,w0； 重复上面操作
adds w0,w0,w0

借位

   当两个数据做减法的时候，有可能向更高位借位。再比如，两个32位数据：0x00000000 - 0x000000ff,将产生借位，借位后，相当于计算0x100000000 - 0x000000ff。得到0xffffff01 这个值。由于借了一位，所以C位 用来标记借位。C = 0.比如下面指令：

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mov w0,#0x0
subs w0,w0,#0xff ;
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff

V(Overflow)溢出标志

CPSR的第28位是V，溢出标志位。在进行有符号数运算的时候，如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。

  • 正数 + 正数 为负数 溢出
  • 负数 + 负数 为正数 溢出
  • 正数 + 负数 不可能溢出

adrp指令

adrp(address page):地址页,用于计算指定数据所在物理地址和当前pc地址之间的偏移量, 也就是说通过该指令计算出常量的物理地址

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adrp x0,1
;1.将1的值左移12位, 1 0000 0000 0000 ==0x1000
;2.将pc寄存器的低12位清零
;3.清零之后的值加上0x1000 然后将最后结果赋值给x0寄存器


;adrp指令后边的数值1为十六进制

内存分区

  • 代码区:可读可写可执行
  • 栈区: 可读可写
  • 堆区:动态申请, 可读可写
  • 全局变量区:可读可写
  • 常量区:只读

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