ARM64體系結構編程與實踐

本書旨在詳細介紹ARM64體系結構的相關技術。本書首先介紹了ARM64體系結構的基礎知識、搭建樹莓派實驗環境的方法，然後講述了ARM64指令集中的載入與存儲指令、算術與移位元指令、比較與跳轉等指令以及ARM64指令集中的陷阱，接著討論了GNU彙編器、連結器、連結腳本、GCC內嵌彙編代碼、異常處理、中斷處理、GIC-V2，最後剖析了記憶體管理、快取記憶體、快取一致性、TLB管理、記憶體屏障指令、原子操作、作業系統等內容。

本書適合嵌入式開發人員閱讀。

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　採用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處理器執行狀態　4
1．2．6　ARMv8支援的資料寬度　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　6
1．3．3　特殊寄存器　7
1．3．4　系統寄存器　10
1．4　Cortex-A72處理器介紹　10
1．5　ARMv9體系結構介紹　13

第2章 搭建樹莓派實驗環境　14
2．1　樹莓派介紹　14
2．2　搭建樹莓派實驗環境　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 BeOS!”　19
2．2．4　實驗2-2：使用GDB與QEMU虛擬機器調試BeOS　20
2．2．5　實驗2-3：使用J-Lik EDU模擬器調試樹莓派　21
2．3　BeOS基礎實驗代碼解析　27
2．4　QEMU虛擬機器與ARM64實驗平臺　32

第3章　A64指令集1——載入與存儲指令　35
3．1　A64指令集介紹　36
3．2　A64指令編碼格式　37
3．3　載入與存儲指令　38
3．3．1　基於基底位址的定址模式　39
3．3．2　變基模式　41
3．3．3　PC相對位址模式　42
3．3．4　LDR虛擬指令　43
3．4　載入與存儲指令的變種　44
3．4．1　不同位元寬的載入與存儲指令　44
3．4．2　不可擴展的載入和存儲指令　45
3．4．3　多位元組記憶體載入和存儲指令　46
3．4．4　獨佔記憶體訪問指令　48
3．4．5　隱含載入-獲取/存儲-釋放記憶體屏障原語　48
3．4．6　非特權訪問級別的載入和存儲指令　48
3．5　入棧與出棧　49
3．6　MOV指令　51
3．7　陷阱：你用對載入與存儲指令了嗎　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：前變基與後變基定址模式1　53
3．8．3　實驗3-3：前變基與後變基定址模式2　54
3．8．4　實驗3-4：PC相對位址定址　54
3．8．5　實驗3-5：memcpy()函數的實現　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——算術與移位元指令　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　關於條件標誌位元的示例　67
4．5　移位元指令　68
4．6　位元操作指令　68
4．6．1　與操作指令　68
4．6．2　或操作指令　69
4．6．3　位元清除操作指令　71
4．6．4　CLZ指令　71
4．7　位元段操作指令　71
4．7．1　位元段插入操作指令　71
4．7．2　位元段提取操作指令　72
4．8　實驗　73
4．8．1　實驗4-1：測試ADDS和CMP指令的C標誌位元　73
4．8．2　實驗4-2：條件標誌位元的使用　74
4．8．3　實驗4-3：測試ADS指令以及Z標誌位元　74
4．8．4　實驗4-4：測試位元段操作指令　74
4．8．5　實驗4-5：使用位元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　CM指令　76
5．1．2　CSEL指令　77
5．1．3　CSET指令　78
5．1．4　CSIC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　比較並跳轉指令　80
5．3　陷阱：為什麼在RET指令之後系統就崩潰了　80
5．4　實驗　82
5．4．1　實驗5-1：CMP和CM指令　82
5．4．2　實驗5-2：條件選擇指令　82
5．4．3　實驗5-3：子函數跳轉　82

第6章　A64指令集4——其他重要指令　83
6．1　PC相對位址載入指令　83
6．2　LDR和ADRP指令的區別　85
6．3　記憶體獨佔訪問指令　85
6．4　異常處理指示　86
6．5　系統寄存器訪問指令　87
6．6　記憶體屏障指令　88
6．7　實驗　88
6．7．1　實驗6-1：測試ADRP和LDR虛擬指令　88
6．7．2　實驗6-2：ADRP和LDR虛擬指令的陷阱　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：增益集標籤　91
7．2　案例7-2：載入字串　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　彙編大作業7-1：在彙編中實現串口輸出功能　95
7．6　彙編大作業7-2：分析Liux 5．0的啟動彙編代碼　95

第8章　GU彙編器　96
8．1　編譯流程與ELF檔　97
8．2　一個簡單的組合語言程式　99
8．3　彙編語法　102
8．3．1　注釋　102
8．3．2　符號　102
8．4　常用的虛擬指令　103
8．4．1　對齊虛擬指令　103
8．4．2　資料定義虛擬指令　103
8．4．3　與函數相關的虛擬指令　104
8．4．4　與段相關的虛擬指令　105
8．4．5　與宏相關的虛擬指令　106
8．5　AArch64依賴特性　108
8．5．1　AArch64特有的命令列選項　108
8．5．2　語法　108
8．5．3　AArch64特有的虛擬指令　109
8．5．4　LDR虛擬指令　109
8．6　實驗　110
8．6．1　實驗8-1：組合語言練習——求數　110
8．6．2　實驗8-2：組合語言練習——通過C語言調用彙編函數　110
8．6．3　實驗8-3：組合語言練習——通過組合語言調用C函數　110
8．6．4　實驗8-4：使用彙編偽操作來實現一張表　110
8．6．5　實驗8-5：彙編宏的使用　111

第9章　連結器與連結腳本　112
9．1　連結器介紹　112
9．2　連結腳本　114
9．2．1　一個簡單的連結程式　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　當前位置計數器　117
9．2．6　SECTIOS命令　117
9．2．7　常用的內建函數　120
9．3　重定位　121
9．3．1　BeOS重定位　121
9．3．2　UBoot和Liux內核重定位　124
9．4　實驗　126
9．4．1　實驗9-1：分析連結指令檔　126
9．4．2　實驗9-2：輸出每個段的記憶體佈局　127
9．4．3　實驗9-3：載入位址不等於運行位址　127
9．4．4　實驗9-4：分析Liux 5．0內核的連結指令檔　127

第10章 GCC內嵌彙編代碼　128
10．1　內嵌彙編代碼基本用法　128
10．1．1　基礎內嵌彙編代碼　128
10．1．2　擴展內嵌彙編代碼　128
10．1．3　內嵌彙編代碼的修飾符和約束符　130
10．1．4　使用彙編符號名　132
10．1．5　內嵌彙編函數與巨集的結合　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：實現簡單的memcpy 函數　138
10．3．2　實驗10-2：使用彙編符號名編寫內嵌彙編代碼　138
10．3．3　實驗10-3：使用內嵌彙編代碼完善__memset_16bytes 彙編函數　138
10．3．4　實驗10-4：使用內嵌彙編代碼與宏　138
10．3．5　實驗10-5：實現讀和寫系統寄存器的巨集　139
10．3．6　實驗10-6：goto範本的內嵌彙編函數　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　同步異常和非同步異常　141
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　異常處理的執行狀態　145
11．2．7　異常返回的執行狀態　146
11．3　異常向量表　146
11．3．1　ARMv8異常向量表　146
11．3．2　Liux 5．0內核的異常向量表　147
11．3．3　VBAR_ELx　148
11．4　異常現場　149
11．5　同步異常的解析　149
11．5．1　異常類型　150
11．5．2　數據異常　151
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上觸發異常的指令　157
11．7．4　實驗11-4：解析資料異常的資訊　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上的傳統中斷控制器　160
12．3　ARM內核上的通用計時器　163
12．4　中斷現場　165
12．4．1　保存中斷現場　165
12．4．2　恢復中斷現場　165
12．5　案例分析：在樹莓派4B上實現 一個計時器　166
12．5．1　中斷現場的保存　166
12．5．2　修改異常向量表　169
12．5．3　通用計時器初始化　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 實現通用計時器中斷　172
12．6．2　實驗12-2：使用彙編函數保存和恢復中斷現場　173

第13章 GIC-V2　174
13．1　GIC發展歷史　174
13．2　中斷狀態、中斷觸發方式和 硬體中斷號　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：實現通用計時器中斷　182
13．5．2　實驗13-2：實現樹莓派4B上的系統計時器　183

第14章 記憶體管理　184
14．1　記憶體管理基礎知識　184
14．1．1　記憶體管理的“遠古時代”　184
14．1．2　位址空間的抽象　186
14．1．3　分段機制　187
14．1．4　分頁機制　187
14．2　ARM64記憶體管理　190
14．2．1　頁表　192
14．2．2　頁表映射　192
14．2．3　頁面細微性　194
14．2．4　兩套頁表　195
14．2．5　分頁表項目描述符　196
14．2．6　頁表屬性　198
14．2．7　連續塊表項　201
14．3　硬體管理訪問位元和髒位　201
14．3．1　訪問位元的硬體管理機制　201
14．3．2　髒位元的硬體管理機制　201
14．4　與位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　記憶體屬性　204
14．5．1　普通類型記憶體　204
14．5．2　設備類型記憶體　204
14．6　案例分析：在BeOS裡實現恒等映射　207
14．6．1　頁表定義　208
14．6．2　頁表資料結構　211
14．6．3　創建頁表　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：為什麼MMU 無法運行　220
14．7．3　實驗14-3：實現一個 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死機　221
14．7．5　實驗14-5：使用組合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 快取記憶體基礎知識　224
15．1　為什麼需要快取記憶體　224
15．2　快取記憶體的訪問延時　225
15．3　快取記憶體的工作原理　227
15．4　快取記憶體的映射方式　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　組相連的快取記憶體的例子　231
15．5　虛擬快取記憶體與物理快取記憶體　232
15．5．1　物理快取記憶體　232
15．5．2　虛擬快取記憶體　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產生的重名問題　235
15．7　快取記憶體策略　236
15．8　快取記憶體的共用屬性　238
15．8．1　共用屬性　238
15．8．2　PoU和PoC的區別　239
15．9　快取記憶體的維護指令　241
15．10　快取記憶體枚舉　242
15．11　實驗　245
15．11．1　實驗15-1：枚舉快取記憶體　245
15．11．2　實驗15-2：清理快取記憶體　245

第16章 快取一致性　246
16．1　為什麼需要快取一致性　246
16．2　快取一致性的分類　247
16．2．1　ARM處理器快取一致性發展歷程　247
16．2．2　快取一致性分類　248
16．2．3　系統快取一致性問題　249
16．3　快取一致性的解決方案　250
16．3．1　關閉快取記憶體　250
16．3．2　軟體維護快取一致性　250
16．3．3　硬體維護快取一致性　250
16．4　MESI協議　251
16．4．1　MESI協議簡介　252
16．4．2　本地讀寫與匯流排操作　252
16．4．3　MESI狀態轉換圖　253
16．4．4　初始狀態為I　253
16．4．5　初始狀態為M　256
16．4．6　初始狀態為S　257
16．4．7　初始狀態為E　258
16．4．8　總結與案例分析　258
16．4．9　MOESI協議　260
16．5　快取記憶體偽共用　261
16．6　CCI和CC快取一致性控制器　262
16．6．1　CCI快取一致性控制器　262
16．6．2　CC快取一致性控制器　263
16．7　案例分析16-1：偽共用的避免　264
16．8　案例分析16-2：DMA和 快取記憶體的一致性　265
16．8．1　從記憶體到設備的 FIFO緩衝區　266
16．8．2　從設備的FIFO緩衝區到 記憶體　266
16．9　案例分析16-3：自我修改碼的 一致性　267
16．10　實驗　268
16．10．1　實驗16-1：快取記憶體偽共用　268
16．10．2　實驗16-2：使用Perf C2C 發現快取記憶體偽共用　268

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維護指令的執行次序　278
17．5　TLB案例分析　278
17．5．1　TLB在Liux內核中的應用　278
17．5．2　ASID在Liux內核中的應用　281
17．5．3　Liux內核中的TLB 維護操作　282
17．5．4　BBM機制　284

第18章 記憶體屏障指令　287
18．1　記憶體屏障指令產生的原因　287
18．1．1　順序一致性記憶體模型　288
18．1．2　處理器一致性記憶體模型　289
18．1．3　弱一致性記憶體模型　289
18．1．4　ARM64處理器的記憶體模型　290
18．2　ARM64中的記憶體屏障指令　290
18．2．1　使用記憶體屏障指令的場景　290
18．2．2　ARM64裡的記憶體屏障指令　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　294
18．2．6　單方向記憶體屏障原語　294
18．2．7　ISB指令　297
18．2．8　快取記憶體維護指令與記憶體屏障指令　299
18．3　案例分析　300
18．3．1　消息傳遞問題　301
18．3．2　單方向記憶體屏障與自旋鎖　302
18．3．3　郵箱傳遞消息　304
18．3．4　與資料快取記憶體相關的案例　305
18．3．5　與指令快取記憶體相關的案例　307
18．3．6　與TLB相關的案例　309
18．3．7　DMA案例　310
18．3．8　Liux內核中使指令快取記憶體失效　310

第19章 合理使用記憶體屏障指令　312
19．1　存儲緩衝區與寫記憶體屏障指令　313
19．2　無效佇列與讀記憶體屏障指令　318
19．3　記憶體屏障指令總結　321
19．4　ARM64的記憶體屏障指令的區別　322
19．5　案例分析：Liux內核中的記憶體屏障指令　323
19．5．1　第 一次使用記憶體屏障指令　324
19．5．2　第二次使用記憶體屏障指令　326
19．5．3　第三次使用記憶體屏障指令　329
19．5．4　第四次使用記憶體屏障指令　330
19．5．5　總結：記憶體屏障指令的使用　331

第20章 原子操作　332
20．1　原子操作介紹　332
20．2　獨佔記憶體訪問指令　333
20．3　獨佔記憶體訪問工作原理　334
20．3．1　獨佔監視器　334
20．3．2　獨佔監視器與快取一致性　336
20．3．3　獨佔監視器的細微性　338
20．4　原子記憶體訪問操作指令　338
20．5　比較並交換指令　341
20．6　WFE指令在自旋鎖中的應用　342

第21章 作業系統相關話題　344
21．1　C語言常見陷阱　344
21．1．1　資料模型　344
21．1．2　資料類型轉換與整型提升　346
21．1．3　移位操作　348
21．2　函式呼叫標準　349
21．3　棧佈局　351
21．4　創建進程　352
21．4．1　進程控制塊　352
21．4．2　0號進程　353
21．4．3　do_fork函數的實現　354
21．4．4　進程上下文切換　355
21．4．5　新進程的第 一次執行　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　就緒佇列ru_queue　358
21．5．3　調度佇列類　358
21．5．4　簡易調度器的實現　360
21．5．5　自願調度　360
21．5．6　搶佔調度　362
21．5．7　測試用例　363
21．6　系統調用　364
21．6．1　系統調用介紹　364
21．6．2　使用者態調用SVC指令　364
21．6．3　內核態對系統調用的處理　365
21．6．4　系統調用表　366
21．7　系統啟動　367
21．8　實驗　368
21．8．1　實驗21-1：觀察棧佈局　368
21．8．2　實驗21-2：進程創建　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()系統調用　369
21．8．5　實驗21-5：新增一個cloe() 系統調用　370

第22章 浮點運算與EO指令　371
22．1　資料模型　371
22．2　浮點運算　373
22．2．1　浮點數　373
22．2．2　浮點控制寄存器與浮點狀態寄存器　375
22．2．3　浮點數的條件操作碼　377
22．2．4　常用浮點運算指令　377
22．3　EO指令集　378
22．3．1　SISD和SIMD　378
22．3．2　向量運算與標量運算　379
22．3．3　載入與存儲指令LD1與 ST1　380
22．3．4　載入與存儲指令LD2和 ST2　382
22．3．5　載入與存儲指令LD3和 ST3　383
22．3．6　載入與存儲指令LD4和 ST4　385
22．3．7　載入指令的特殊用法　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　向量算術指令　393
22．4　案例分析22-1：RGB24轉BGR24 …．．393
22．4．1　使用C語言實現RGB24轉 BGR24　394
22．4．2　手工編寫EO彙編函數　394
22．4．3　使用EO內建函數　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4×4矩陣乘法運算　397
22．5．2　手工編寫EO彙編函數　398
22．5．3　使用EO內建函數　401
22．5．4　測試　403
22．6　自動向量優化　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 可伸縮向量計算與優化　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運行和調試環境　410
23．3　SVE特有的程式設計模式　412
23．3．1　斷言指令　412
23．3．2　聚合載入和離散存儲　414
23．3．3　基於斷言的迴圈控制　415
23．3．4　基於軟體推測的向量分區　421
23．4　SVE與SVE2指令集　422
23．5　案例分析23-1：使用SVE指令優化strcmp()函數　422
23．5．1　使用純彙編方式　423
23．5．2　測試　425
23．6　案例分析23-2：RGB24轉BGR24 …．425
23．6．1　使用純彙編方式　426
23．6．2　使用內嵌彙編方式　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　使用內嵌彙編方式　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指令優化strcpy()函數　432

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