ARM64體系結構編程與實踐

目　錄



第　1章 ARM64體系結構基礎知識　1
1.1　ARM介紹　1
1.2　ARMv8體系結構基礎知識　2
1.2.1　ARMv8體系結構　2
1.2.2　采用ARMv8體系結構的常見處理器內核　3
1.2.3　ARMv8體系結構中的基本概念　3
1.2.4　A64指令集　4
1.2.5　ARMv8處理器執(zhí)行狀態(tài)　4
1.2.6　ARMv8支持的數(shù)據(jù)寬度　5
1.3　ARMv8寄存器　5
1.3.1　通用寄存器　5
1.3.2　處理器狀態(tài)　6
1.3.3　特殊寄存器　7
1.3.4　系統(tǒng)寄存器　10
1.4　Cortex-A72處理器介紹　10
1.5　ARMv9體系結構介紹　13
第　2章 搭建樹莓派實驗環(huán)境　14
2.1　樹莓派介紹　14
2.2　搭建樹莓派實驗環(huán)境　15
2.2.1　配置串口線　16
2.2.2　安裝樹莓派官方OS　18
2.2.3　實驗2-1：輸出“Welcome BenOS!”　19
2.2.4　實驗2-2：使用GDB與QEMU虛擬機調試BenOS　20
2.2.5　實驗2-3：使用J-Link EDU仿真器調試樹莓派　21
2.3　BenOS基礎實驗代碼解析　27
2.4　QEMU虛擬機與ARM64實驗平臺　32
第3章　A64指令集1——加載與存儲指令　35
3.1　A64指令集介紹　36
3.2　A64指令編碼格式　37
3.3　加載與存儲指令　38
3.3.1　基于基地址的尋址模式　39
3.3.2　變基模式　41
3.3.3　PC相對地址模式　42
3.3.4　LDR偽指令　43
3.4　加載與存儲指令的變種　44
3.4.1　不同位寬的加載與存儲指令　44
3.4.2　不可擴展的加載和存儲指令　45
3.4.3　多字節(jié)內存加載和存儲指令　46
3.4.4　獨占內存訪問指令　48
3.4.5　隱含加載-獲取/存儲-釋放
內存屏障原語　48
3.4.6　非特權訪問級別的加載和存儲指令　48
3.5　入棧與出?！?9
3.6　MOV指令　51
3.7　陷阱：你用對加載與存儲指令了嗎　52
3.8　實驗　53
3.8.1　實驗3-1：熟悉MOV和LDR指令　53
3.8.2　實驗3-2：前變基與后變基尋址模式1　53
3.8.3　實驗3-3：前變基與后變基尋址模式2　54
3.8.4　實驗3-4：PC相對地址尋址　54
3.8.5　實驗3-5：memcpy()函數(shù)的實現(xiàn)　54
3.8.6　實驗3-6：LDP和STP指令的使用　55
第4章　A64指令集2——算術與移位指令　56
4.1　條件操作碼　57
4.2　加法與減法指令　57
4.2.1　ADD指令　58
4.2.2　ADDS指令　60
4.2.3　ADC指令　61
4.2.4　SUB指令　61
4.2.5　SUBS指令　64
4.2.6　SBC指令　64
4.3　CMP指令　65
4.4　關于條件標志位的示例　67
4.5　移位指令　68
4.6　位操作指令　68
4.6.1　與操作指令　68
4.6.2　或操作指令　69
4.6.3　位清除操作指令　71
4.6.4　CLZ指令　71
4.7　位段操作指令　71
4.7.1　位段插入操作指令　71
4.7.2　位段提取操作指令　72
4.8　實驗　73
4.8.1　實驗4-1：測試ADDS和CMP指令的C標志位　73
4.8.2　實驗4-2：條件標志位的使用　74
4.8.3　實驗4-3：測試ANDS指令以及Z標志位　74
4.8.4　實驗4-4：測試位段操作指令　74
4.8.5　實驗4-5：使用位段指令來讀取寄存器　74
第5章　A64指令集3——比較指令與跳轉指令　76
5.1　比較指令　76
5.1.1　CMN指令　76
5.1.2　CSEL指令　77
5.1.3　CSET指令　78
5.1.4　CSINC指令　78
5.2　跳轉與返回指令　79
5.2.1　跳轉指令　79
5.2.2　返回指令　80
5.2.3　比較并跳轉指令　80
5.3　陷阱：為什么在RET指令之后系統(tǒng)就崩潰了　80
5.4　實驗　82
5.4.1　實驗5-1：CMP和CMN指令　82
5.4.2　實驗5-2：條件選擇指令　82
5.4.3　實驗5-3：子函數(shù)跳轉　82
第6章　A64指令集4——其他重要指令　83
6.1　PC相對地址加載指令　83
6.2　LDR和ADRP指令的區(qū)別　85
6.3　內存獨占訪問指令　85
6.4　異常處理指令　86
6.5　系統(tǒng)寄存器訪問指令　87
6.6　內存屏障指令　88
6.7　實驗　88
6.7.1　實驗6-1：測試ADRP和LDR偽指令　88
6.7.2　實驗6-2：ADRP和LDR偽指令的陷阱　89
6.7.3　實驗6-3：LDXR和STXR指令的使用1　90
6.7.4　實驗6-4：LDXR和STXR指令的使用2　90
第7章　A64指令集的陷阱　91
7.1　案例7-1：加載宏標簽　91
7.2　案例7-2：加載字符串　92
7.3　案例7-3：讀寫寄存器導致樹莓派4B死機　93
7.4　案例7-4：LDXR指令導致樹莓派4B死機　94
7.5　匯編大作業(yè)7-1：在匯編中實現(xiàn)串口輸出功能　95
7.6　匯編大作業(yè)7-2：分析Linux 5.0的啟動匯編代碼　95
第8章　GNU匯編器　96
8.1　編譯流程與ELF文件　97
8.2　一個簡單的匯編程序　99
8.3　匯編語法　102
8.3.1　注釋　102
8.3.2　符號　102
8.4　常用的偽指令　103
8.4.1　對齊偽指令　103
8.4.2　數(shù)據(jù)定義偽指令　103
8.4.3　與函數(shù)相關的偽指令　104
8.4.4　與段相關的偽指令　105
8.4.5　與宏相關的偽指令　106
8.5　AArch64依賴特性　108
8.5.1　AArch64特有的命令行選項　108
8.5.2　語法　108
8.5.3　AArch64特有的偽指令　109
8.5.4　LDR偽指令　109
8.6　實驗　110
8.6.1　實驗8-1：匯編語言練習——求數(shù)　110
8.6.2　實驗8-2：匯編語言練習——通過C語言調用匯編函數(shù)　110
8.6.3　實驗8-3：匯編語言練習——通過匯編語言調用C函數(shù)　110
8.6.4　實驗8-4：使用匯編偽操作來實現(xiàn)一張表　110
8.6.5　實驗8-5：匯編宏的使用　111
第9章　鏈接器與鏈接腳本　112
9.1　鏈接器介紹　112
9.2　鏈接腳本　114
9.2.1　一個簡單的鏈接程序　114
9.2.2　設置入口點　115
9.2.3　基本概念　115
9.2.4　符號賦值與引用　115
9.2.5　當前位置計數(shù)器　117
9.2.6　SECTIONS命令　117
9.2.7　常用的內建函數(shù)　120
9.3　重定位　121
9.3.1　BenOS重定位　121
9.3.2　UBoot和Linux內核重定位　124
9.4　實驗　126
9.4.1　實驗9-1：分析鏈接腳本文件　126
9.4.2　實驗9-2：輸出每個段的內存布局　127
9.4.3　實驗9-3：加載地址不等于運行地址　127
9.4.4　實驗9-4：分析Linux 5.0內核的鏈接腳本文件　127
第　10章 GCC內嵌匯編代碼　128
10.1　內嵌匯編代碼基本用法　128
10.1.1　基礎內嵌匯編代碼　128
10.1.2　擴展內嵌匯編代碼　128
10.1.3　內嵌匯編代碼的修飾符和約束符　130
10.1.4　使用匯編符號名　132
10.1.5　內嵌匯編函數(shù)與宏的結合　133
10.1.6　使用goto修飾詞　133
10.2　案例分析　134
10.3　實驗　138
10.3.1　實驗10-1：實現(xiàn)簡單的memcpy 函數(shù)　138
10.3.2　實驗10-2：使用匯編符號名編寫內嵌匯編代碼　138
10.3.3　實驗10-3：使用內嵌匯編代碼完善__memset_16bytes 匯編函數(shù)　138
10.3.4　實驗10-4：使用內嵌匯編代碼與宏　138
10.3.5　實驗10-5：實現(xiàn)讀和寫系統(tǒng)寄存器的宏　139
10.3.6　實驗10-6：goto模板的內嵌匯編函數(shù)　139
第　11章 異常處理　140
11.1　異常處理的基本概念　140
11.1.1　異常類型　140
11.1.2　異常等級　141
11.1.3　同步異常和異步異?！?41
11.2　異常處理與返回　142
11.2.1　異常入口　142
11.2.2　異常返回　142
11.2.3　異常返回地址　143
11.2.4　異常處理路由　143
11.2.5　棧的選擇　145
11.2.6　異常處理的執(zhí)行狀態(tài)　145
11.2.7　異常返回的執(zhí)行狀態(tài)　146
11.3　異常向量表　146
11.3.1　ARMv8異常向量表　146
11.3.2　Linux 5.0內核的異常向量表　147
11.3.3　VBAR_ELx　148
11.4　異常現(xiàn)場　149
11.5　同步異常的解析　149
11.5.1　異常類型　150
11.5.2　數(shù)據(jù)異?！?51
11.6　案例分析　153
11.6.1　從EL2切換到EL1　153
11.6.2　指令不對齊的同步異常處理　154
11.7　實驗　156
11.7.1　實驗11-1：切換到EL1　156
11.7.2　實驗11-2：建立異常向量表　157
11.7.3　實驗11-3：尋找樹莓派4B上觸發(fā)異常的指令　157
11.7.4　實驗11-4：解析數(shù)據(jù)異常的信息　158
第　12章 中斷處理　159
12.1　中斷處理背景知識　159
12.1.1　中斷引腳　159
12.1.2　中斷控制器　159
12.1.3　中斷處理過程　160
12.2　樹莓派4B上的傳統(tǒng)中斷控制器　160
12.3　ARM內核上的通用定時器　163
12.4　中斷現(xiàn)場　165
12.4.1　保存中斷現(xiàn)場　165
12.4.2　恢復中斷現(xiàn)場　165
12.5　案例分析：在樹莓派4B上實現(xiàn) 一個定時器　166
12.5.1　中斷現(xiàn)場的保存　166
12.5.2　修改異常向量表　169
12.5.3　通用定時器初始化　170
12.5.4　IRQ處理　170
12.5.5　打開本地中斷　171
12.6　實驗　172
12.6.1　實驗12-1：在樹莓派4B上 實現(xiàn)通用定時器中斷　172
12.6.2　實驗12-2：使用匯編函數(shù)保存和恢復中斷現(xiàn)場　173
第　13章 GIC-V2　174
13.1　GIC發(fā)展歷史　174
13.2　中斷狀態(tài)、中斷觸發(fā)方式和 硬件中斷號　175
13.3　GIC-V2　175
13.3.1　GIC-V2概要　175
13.3.2　GIC-V2內部結構　176
13.3.3　中斷流程　176
13.3.4　GIC-V2寄存器　178
13.3.5　中斷路由　179
13.4　樹莓派4B上的GIC-400　180
13.4.1　中斷號分配　180
13.4.2　訪問GIC-400寄存器　181
13.4.3　中斷處理流程　181
13.5　實驗　182
13.5.1　實驗13-1：實現(xiàn)通用定時器中斷　182
13.5.2　實驗13-2：實現(xiàn)樹莓派4B上的系統(tǒng)定時器　183
第　14章 內存管理　184
14.1　內存管理基礎知識　184
14.1.1　內存管理的“遠古時代”　184
14.1.2　地址空間的抽象　186
14.1.3　分段機制　187
14.1.4　分頁機制　187
14.2　ARM64內存管理　190
14.2.1　頁表　192
14.2.2　頁表映射　192
14.2.3　頁面粒度　194
14.2.4　兩套頁表　195
14.2.5　頁表項描述符　196
14.2.6　頁表屬性　198
14.2.7　連續(xù)塊表項　201
14.3　硬件管理訪問位和臟位　201
14.3.1　訪問位的硬件管理機制　201
14.3.2　臟位的硬件管理機制　201
14.4　與地址轉換相關的控制寄存器　202
14.4.1　TCR　202
14.4.2　SCTLR　204
14.4.3　TTBR　204
14.5　內存屬性　204
14.5.1　普通類型內存　204
14.5.2　設備類型內存　204
14.6　案例分析：在BenOS里實現(xiàn)恒等映射　207
14.6.1　頁表定義　208
14.6.2　頁表數(shù)據(jù)結構　211
14.6.3　創(chuàng)建頁表　211
14.6.4　打開MMU　217
14.6.5　測試MMU　218
14.7　實驗　220
14.7.1　實驗14-1：建立恒等映射　220
14.7.2　實驗14-2：為什么MMU 無法運行　220
14.7.3　實驗14-3：實現(xiàn)一個 MMU頁表的轉儲功能　220
14.7.4　實驗14-4：修改頁面屬性導致的系統(tǒng)死機　221
14.7.5　實驗14-5：使用匯編語言來建立恒等映射和打開MMU　222
14.7.6　實驗14-6：驗證LDXR和 STXR指令　222
14.7.7　實驗14-7：AT指令　223
第　15章 高速緩存基礎知識　224
15.1　為什么需要高速緩存　224
15.2　高速緩存的訪問延時　225
15.3　高速緩存的工作原理　227
15.4　高速緩存的映射方式　229
15.4.1　直接映射　229
15.4.2　全相連映射　230
15.4.3　組相連映射　230
15.4.4　組相連的高速緩存的例子　231
15.5　虛擬高速緩存與物理高速緩存　232
15.5.1　物理高速緩存　232
15.5.2　虛擬高速緩存　232
15.5.3　VIPT和PIPT　232
15.6　重名和同名問題　233
15.6.1　重名問題　233
15.6.2　同名問題　234
15.6.3　VIPT產(chǎn)生的重名問題　235
15.7　高速緩存策略　236
15.8　高速緩存的共享屬性　238
15.8.1　共享屬性　238
15.8.2　PoU和PoC的區(qū)別　239
15.9　高速緩存的維護指令　241
15.10　高速緩存枚舉　242
15.11　實驗　245
15.11.1　實驗15-1：枚舉高速緩存　245
15.11.2　實驗15-2：清理高速緩存　245
第　16章 緩存一致性　246
16.1　為什么需要緩存一致性　246
16.2　緩存一致性的分類　247
16.2.1　ARM處理器緩存一致性發(fā)展歷程　247
16.2.2　緩存一致性分類　248
16.2.3　系統(tǒng)緩存一致性問題　249
16.3　緩存一致性的解決方案　250
16.3.1　關閉高速緩存　250
16.3.2　軟件維護緩存一致性　250
16.3.3　硬件維護緩存一致性　250
16.4　MESI協(xié)議　251
16.4.1　MESI協(xié)議簡介　252
16.4.2　本地讀寫與總線操作　252
16.4.3　MESI狀態(tài)轉換圖　253
16.4.4　初始狀態(tài)為I　253
16.4.5　初始狀態(tài)為M　256
16.4.6　初始狀態(tài)為S　257
16.4.7　初始狀態(tài)為E　258
16.4.8　總結與案例分析　258
16.4.9　MOESI協(xié)議　260
16.5　高速緩存?zhèn)喂蚕怼?61
16.6　CCI和CCN緩存一致性控制器　262
16.6.1　CCI緩存一致性控制器　262
16.6.2　CCN緩存一致性控制器　263
16.7　案例分析16-1：偽共享的避免　264
16.8　案例分析16-2：DMA和 高速緩存的一致性　265
16.8.1　從內存到設備的 FIFO緩沖區(qū)　266
16.8.2　從設備的FIFO緩沖區(qū)到 內存　266
16.9　案例分析16-3：自修改代碼的 一致性　267
16.10　實驗　268
16.10.1　實驗16-1：高速緩存?zhèn)喂蚕怼?68
16.10.2　實驗16-2：使用Perf C2C 發(fā)現(xiàn)高速緩存?zhèn)喂蚕怼?68
第　17章 TLB管理　269
17.1　TLB基礎知識　270
17.2　TLB重名與同名問題　273
17.2.1　重名問題　273
17.2.2　同名問題　274
17.3　ASID　274
17.4　TLB管理指令　276
17.4.1　TLB維護指令介紹　277
17.4.2　TLB廣播　278
17.4.3　TLB維護指令的執(zhí)行次序　278
17.5　TLB案例分析　278
17.5.1　TLB在Linux內核中的應用　278
17.5.2　ASID在Linux內核中的應用　281
17.5.3　Linux內核中的TLB 維護操作　282
17.5.4　BBM機制　284
第　18章 內存屏障指令　287
18.1　內存屏障指令產(chǎn)生的原因　287
18.1.1　順序一致性內存模型　288
18.1.2　處理器一致性內存模型　289
18.1.3　弱一致性內存模型　289
18.1.4　ARM64處理器的內存模型　290
18.2　ARM64中的內存屏障指令　290
18.2.1　使用內存屏障指令的場景　290
18.2.2　ARM64里的內存屏障指令　291
18.2.3　DMB指令　291
18.2.4　DSB指令　293
18.2.5　DMB和DSB指令的參數(shù)　294
18.2.6　單方向內存屏障原語　294
18.2.7　ISB指令　297
18.2.8　高速緩存維護指令與內存屏障指令　299
18.3　案例分析　300
18.3.1　消息傳遞問題　301
18.3.2　單方向內存屏障與自旋鎖　302
18.3.3　郵箱傳遞消息　304
18.3.4　與數(shù)據(jù)高速緩存相關的案例　305
18.3.5　與指令高速緩存相關的案例　307
18.3.6　與TLB相關的案例　309
18.3.7　DMA案例　310
18.3.8　Linux內核中使指令高速緩存失效　310
第　19章 合理使用內存屏障指令　312
19.1　存儲緩沖區(qū)與寫內存屏障指令　313
19.2　無效隊列與讀內存屏障指令　318
19.3　內存屏障指令總結　321
19.4　ARM64的內存屏障指令的區(qū)別　322
19.5　案例分析：Linux內核中的內存屏障指令　323
19.5.1　第 一次使用內存屏障指令　324
19.5.2　第二次使用內存屏障指令　326
19.5.3　第三次使用內存屏障指令　329
19.5.4　第四次使用內存屏障指令　330
19.5.5　總結：內存屏障指令的使用　331
第　20章 原子操作　332
20.1　原子操作介紹　332
20.2　獨占內存訪問指令　333
20.3　獨占內存訪問工作原理　334
20.3.1　獨占監(jiān)視器　334
20.3.2　獨占監(jiān)視器與緩存一致性　336
20.3.3　獨占監(jiān)視器的粒度　338
20.4　原子內存訪問操作指令　338
20.5　比較并交換指令　341
20.6　WFE指令在自旋鎖中的應用　342
第　21章 操作系統(tǒng)相關話題　344
21.1　C語言常見陷阱　344
21.1.1　數(shù)據(jù)模型　344
21.1.2　數(shù)據(jù)類型轉換與整型提升　346
21.1.3　移位操作　348
21.2　函數(shù)調用標準　349
21.3　棧布局　351
21.4　創(chuàng)建進程　352
21.4.1　進程控制塊　352
21.4.2　0號進程　353
21.4.3　do_fork函數(shù)的實現(xiàn)　354
21.4.4　進程上下文切換　355
21.4.5　新進程的第 一次執(zhí)行　357
21.5　簡易進程調度器　357
21.5.1　擴展進程控制塊　358
21.5.2　就緒隊列run_queue　358
21.5.3　調度隊列類　358
21.5.4　簡易調度器的實現(xiàn)　360
21.5.5　自愿調度　360
21.5.6　搶占調度　362
21.5.7　測試用例　363
21.6　系統(tǒng)調用　364
21.6.1　系統(tǒng)調用介紹　364
21.6.2　用戶態(tài)調用SVC指令　364
21.6.3　內核態(tài)對系統(tǒng)調用的處理　365
21.6.4　系統(tǒng)調用表　366
21.7　系統(tǒng)啟動　367
21.8　實驗　368
21.8.1　實驗21-1：觀察棧布局　368
21.8.2　實驗21-2：進程創(chuàng)建　369
21.8.3　實驗21-3：進程調度　369
21.8.4　實驗21-4：新增一個 malloc()系統(tǒng)調用　369
21.8.5　實驗21-5：新增一個clone() 系統(tǒng)調用　370
第　22章 浮點運算與NEON指令　371
22.1　數(shù)據(jù)模型　371
22.2　浮點運算　373
22.2.1　浮點數(shù)　373
22.2.2　浮點控制寄存器與浮點狀態(tài)寄存器　375
22.2.3　浮點數(shù)的條件操作碼　377
22.2.4　常用浮點運算指令　377
22.3　NEON指令集　378
22.3.1　SISD和SIMD　378
22.3.2　矢量運算與標量運算　379
22.3.3　加載與存儲指令LD1與 ST1　380
22.3.4　加載與存儲指令LD2和 ST2　382
22.3.5　加載與存儲指令LD3和 ST3　383
22.3.6　加載與存儲指令LD4和 ST4　385
22.3.7　加載指令的特殊用法　385
22.3.8　搬移指令　386
22.3.9　反轉指令　388
22.3.10　提取指令　389
22.3.11　交錯變換指令　390
22.3.12　查表指令　391
22.3.13　乘加指令　391
22.3.14　矢量算術指令　393
22.4　案例分析22-1：RGB24轉BGR24 …..393
22.4.1　使用C語言實現(xiàn)RGB24轉 BGR24　394
22.4.2　手工編寫NEON匯編函數(shù)　394
22.4.3　使用NEON內建函數(shù)　395
22.4.4　測試　395
22.5　案例分析22-2：4×4矩陣乘法運算　397
22.5.1　使用C語言實現(xiàn)4×4矩陣乘法運算　397
22.5.2　手工編寫NEON匯編函數(shù)　398
22.5.3　使用NEON內建函數(shù)　401
22.5.4　測試　403
22.6　自動矢量優(yōu)化　404
22.7　實驗　406
22.7.1　實驗22-1：浮點運算　406
22.7.2　實驗22-2：RGB24轉BGR32……　407
22.7.3　實驗22-3：8×8矩陣乘法 運算…..　407
第　23章 可伸縮矢量計算與優(yōu)化　408
23.1　SVE指令介紹　408
23.1.1　SVE寄存器組　408
23.1.2　SVE指令語法　410
23.2　搭建SVE運行和調試環(huán)境　410
23.3　SVE特有的編程模式　412
23.3.1　斷言指令　412
23.3.2　聚合加載和離散存儲　414
23.3.3　基于斷言的循環(huán)控制　415
23.3.4　基于軟件推測的向量分區(qū)　421
23.4　SVE與SVE2指令集　422
23.5　案例分析23-1：使用SVE指令優(yōu)化strcmp()函數(shù)　422
23.5.1　使用純匯編方式　423
23.5.2　測試　425
23.6　案例分析23-2：RGB24轉BGR24 ….425
23.6.1　使用純匯編方式　426
23.6.2　使用內嵌匯編方式　426
23.6.3　測試　427
23.7　案例分析23-3：4×4矩陣乘法運算　428
23.7.1　使用內嵌匯編方式　428
23.7.2　測試　430
23.8　實驗　431
23.8.1　實驗23-1：RGB24轉BGR32　431
23.8.2　實驗23-2：8×8矩陣乘法運算　432
23.8.3　實驗23-3：使用SVE指令優(yōu)化strcpy()函數(shù)　432