ARM64体系结构编程与实践

本书旨在详细介绍ARM64体系结构的相关技术。本书首先介绍了ARM64体系结构的基础知识、搭建树莓派实验环境的方法，然后讲述了ARM64指令集中的加载与存储指令、算术与移位指令、比较与跳转等指令以及ARM64指令集中的陷阱，接着讨论了GNU汇编器、链接器、链接脚本、GCC内嵌汇编代码、异常处理、中断处理、GIC-V2，后剖析了内存管理、高速缓存、缓存一致性、TLB管理、内存屏障指令、原子操作、操作系统等内容。 本书适合嵌入式开发人员阅读。

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目　录

第　1章 ARM64体系结构基础知识　1

1.1　ARM介绍　1

1.2　ARMv8体系结构基础知识　2

1.2.1　ARMv8体系结构　2

1.2.2　采用ARMv8体系结构的常见处理器内核　3

1.2.3　ARMv8体系结构中的基本概念　3

1.2.4　A64指令集　4

1.2.5　ARMv8处理器执行状态　4

1.2.6　ARMv8支持的数据宽度　5

1.3　ARMv8寄存器　5

1.3.1　通用寄存器　5

1.3.2　处理器状态　6

1.3.3　特殊寄存器　7

1.3.4　系统寄存器　10

1.4　Cortex-A72处理器介绍　10

1.5　ARMv9体系结构介绍　13

第　2章 搭建树莓派实验环境　14

2.1　树莓派介绍　14

2.2　搭建树莓派实验环境　15

2.2.1　配置串口线　16

2.2.2　安装树莓派官方OS　18

2.2.3　实验2-1：输出“Welcome BenOS!”　19

2.2.4　实验2-2：使用GDB与QEMU虚拟机调试BenOS　20

2.2.5　实验2-3：使用J-Link EDU仿真器调试树莓派　21

2.3　BenOS基础实验代码解析　27

2.4　QEMU虚拟机与ARM64实验平台　32

第3章　A64指令集1——加载与存储指令　35

3.1　A64指令集介绍　36

3.2　A64指令编码格式　37

3.3　加载与存储指令　38

3.3.1　基于基地址的寻址模式　39

3.3.2　变基模式　41

3.3.3　PC相对地址模式　42

3.3.4　LDR伪指令　43

3.4　加载与存储指令的变种　44

3.4.1　不同位宽的加载与存储指令　44

3.4.2　不可扩展的加载和存储指令　45

3.4.3　多字节内存加载和存储指令　46

3.4.4　独占内存访问指令　48

3.4.5　隐含加载-获取/存储-释放

内存屏障原语　48

3.4.6　非特权访问级别的加载和存储指令　48

3.5　入栈与出栈　49

3.6　MOV指令　51

3.7　陷阱：你用对加载与存储指令了吗　52

3.8　实验　53

3.8.1　实验3-1：熟悉MOV和LDR指令　53

3.8.2　实验3-2：前变基与后变基寻址模式1　53

3.8.3　实验3-3：前变基与后变基寻址模式2　54

3.8.4　实验3-4：PC相对地址寻址　54

3.8.5　实验3-5：memcpy()函数的实现　54

3.8.6　实验3-6：LDP和STP指令的使用　55

第4章　A64指令集2——算术与移位指令　56

4.1　条件操作码　57

4.2　加法与减法指令　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　关于条件标志位的示例　67

4.5　移位指令　68

4.6　位操作指令　68

4.6.1　与操作指令　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　实验　73

4.8.1　实验4-1：测试ADDS和CMP指令的C标志位　73

4.8.2　实验4-2：条件标志位的使用　74

4.8.3　实验4-3：测试ANDS指令以及Z标志位　74

4.8.4　实验4-4：测试位段操作指令　74

4.8.5　实验4-5：使用位段指令来读取寄存器　74

第5章　A64指令集3——比较指令与跳转指令　76

5.1　比较指令　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　跳转与返回指令　79

5.2.1　跳转指令　79

5.2.2　返回指令　80

5.2.3　比较并跳转指令　80

5.3　陷阱：为什么在RET指令之后系统就崩溃了　80

5.4　实验　82

5.4.1　实验5-1：CMP和CMN指令　82

5.4.2　实验5-2：条件选择指令　82

5.4.3　实验5-3：子函数跳转　82

第6章　A64指令集4——其他重要指令　83

6.1　PC相对地址加载指令　83

6.2　LDR和ADRP指令的区别　85

6.3　内存独占访问指令　85

6.4　异常处理指令　86

6.5　系统寄存器访问指令　87

6.6　内存屏障指令　88

6.7　实验　88

6.7.1　实验6-1：测试ADRP和LDR伪指令　88

6.7.2　实验6-2：ADRP和LDR伪指令的陷阱　89

6.7.3　实验6-3：LDXR和STXR指令的使用1　90

6.7.4　实验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：加载宏标签　91

7.2　案例7-2：加载字符串　92

7.3　案例7-3：读写寄存器导致树莓派4B死机　93

7.4　案例7-4：LDXR指令导致树莓派4B死机　94

7.5　汇编大作业7-1：在汇编中实现串口输出功能　95

7.6　汇编大作业7-2：分析Linux 5.0的启动汇编代码　95

第8章　GNU汇编器　96

8.1　编译流程与ELF文件　97

8.2　一个简单的汇编程序　99

8.3　汇编语法　102

8.3.1　注释　102

8.3.2　符号　102

8.4　常用的伪指令　103

8.4.1　对齐伪指令　103

8.4.2　数据定义伪指令　103

8.4.3　与函数相关的伪指令　104

8.4.4　与段相关的伪指令　105

8.4.5　与宏相关的伪指令　106

8.5　AArch64依赖特性　108

8.5.1　AArch64特有的命令行选项　108

8.5.2　语法　108

8.5.3　AArch64特有的伪指令　109

8.5.4　LDR伪指令　109

8.6　实验　110

8.6.1　实验8-1：汇编语言练习——求数　110

8.6.2　实验8-2：汇编语言练习——通过C语言调用汇编函数　110

8.6.3　实验8-3：汇编语言练习——通过汇编语言调用C函数　110

8.6.4　实验8-4：使用汇编伪操作来实现一张表　110

8.6.5　实验8-5：汇编宏的使用　111

第9章　链接器与链接脚本　112

9.1　链接器介绍　112

9.2　链接脚本　114

9.2.1　一个简单的链接程序　114

9.2.2　设置入口点　115

9.2.3　基本概念　115

9.2.4　符号赋值与引用　115

9.2.5　当前位置计数器　117

9.2.6　SECTIONS命令　117

9.2.7　常用的内建函数　120

9.3　重定位　121

9.3.1　BenOS重定位　121

9.3.2　UBoot和Linux内核重定位　124

9.4　实验　126

9.4.1　实验9-1：分析链接脚本文件　126

9.4.2　实验9-2：输出每个段的内存布局　127

9.4.3　实验9-3：加载地址不等于运行地址　127

9.4.4　实验9-4：分析Linux 5.0内核的链接脚本文件　127

第　10章 GCC内嵌汇编代码　128

10.1　内嵌汇编代码基本用法　128

10.1.1　基础内嵌汇编代码　128

10.1.2　扩展内嵌汇编代码　128

10.1.3　内嵌汇编代码的修饰符和约束符　130

10.1.4　使用汇编符号名　132

10.1.5　内嵌汇编函数与宏的结合　133

10.1.6　使用goto修饰词　133

10.2　案例分析　134

10.3　实验　138

10.3.1　实验10-1：实现简单的memcpy 函数　138

10.3.2　实验10-2：使用汇编符号名编写内嵌汇编代码　138

10.3.3　实验10-3：使用内嵌汇编代码完善__memset_16bytes 汇编函数　138

10.3.4　实验10-4：使用内嵌汇编代码与宏　138

10.3.5　实验10-5：实现读和写系统寄存器的宏　139

10.3.6　实验10-6：goto模板的内嵌汇编函数　139

第　11章 异常处理　140

11.1　异常处理的基本概念　140

11.1.1　异常类型　140

11.1.2　异常等级　141

11.1.3　同步异常和异步异常　141

11.2　异常处理与返回　142

11.2.1　异常入口　142

11.2.2　异常返回　142

11.2.3　异常返回地址　143

11.2.4　异常处理路由　143

11.2.5　栈的选择　145

11.2.6　异常处理的执行状态　145

11.2.7　异常返回的执行状态　146

11.3　异常向量表　146

11.3.1　ARMv8异常向量表　146

11.3.2　Linux 5.0内核的异常向量表　147

11.3.3　VBAR_ELx　148

11.4　异常现场　149

11.5　同步异常的解析　149

11.5.1　异常类型　150

11.5.2　数据异常　151

11.6　案例分析　153

11.6.1　从EL2切换到EL1　153

11.6.2　指令不对齐的同步异常处理　154

11.7　实验　156

11.7.1　实验11-1：切换到EL1　156

11.7.2　实验11-2：建立异常向量表　157

11.7.3　实验11-3：寻找树莓派4B上触发异常的指令　157

11.7.4　实验11-4：解析数据异常的信息　158

第　12章 中断处理　159

12.1　中断处理背景知识　159

12.1.1　中断引脚　159

12.1.2　中断控制器　159

12.1.3　中断处理过程　160

12.2　树莓派4B上的传统中断控制器　160

12.3　ARM内核上的通用定时器　163

12.4　中断现场　165

12.4.1　保存中断现场　165

12.4.2　恢复中断现场　165

12.5　案例分析：在树莓派4B上实现 一个定时器　166

12.5.1　中断现场的保存　166

12.5.2　修改异常向量表　169

12.5.3　通用定时器初始化　170

12.5.4　IRQ处理　170

12.5.5　打开本地中断　171

12.6　实验　172

12.6.1　实验12-1：在树莓派4B上 实现通用定时器中断　172

12.6.2　实验12-2：使用汇编函数保存和恢复中断现场　173

第　13章 GIC-V2　174

13.1　GIC发展历史　174

13.2　中断状态、中断触发方式和 硬件中断号　175

13.3　GIC-V2　175

13.3.1　GIC-V2概要　175

13.3.2　GIC-V2内部结构　176

13.3.3　中断流程　176

13.3.4　GIC-V2寄存器　178

13.3.5　中断路由　179

13.4　树莓派4B上的GIC-400　180

13.4.1　中断号分配　180

13.4.2　访问GIC-400寄存器　181

13.4.3　中断处理流程　181

13.5　实验　182

13.5.1　实验13-1：实现通用定时器中断　182

13.5.2　实验13-2：实现树莓派4B上的系统定时器　183

第　14章 内存管理　184

14.1　内存管理基础知识　184

14.1.1　内存管理的“远古时代”　184

14.1.2　地址空间的抽象　186

14.1.3　分段机制　187

14.1.4　分页机制　187

14.2　ARM64内存管理　190

14.2.1　页表　192

14.2.2　页表映射　192

14.2.3　页面粒度　194

14.2.4　两套页表　195

14.2.5　页表项描述符　196

14.2.6　页表属性　198

14.2.7　连续块表项　201

14.3　硬件管理访问位和脏位　201

14.3.1　访问位的硬件管理机制　201

14.3.2　脏位的硬件管理机制　201

14.4　与地址转换相关的控制寄存器　202

14.4.1　TCR　202

14.4.2　SCTLR　204

14.4.3　TTBR　204

14.5　内存属性　204

14.5.1　普通类型内存　204

14.5.2　设备类型内存　204

14.6　案例分析：在BenOS里实现恒等映射　207

14.6.1　页表定义　208

14.6.2　页表数据结构　211

14.6.3　创建页表　211

14.6.4　打开MMU　217

14.6.5　测试MMU　218

14.7　实验　220

14.7.1　实验14-1：建立恒等映射　220

14.7.2　实验14-2：为什么MMU 无法运行　220

14.7.3　实验14-3：实现一个 MMU页表的转储功能　220

14.7.4　实验14-4：修改页面属性导致的系统死机　221

14.7.5　实验14-5：使用汇编语言来建立恒等映射和打开MMU　222

14.7.6　实验14-6：验证LDXR和 STXR指令　222

14.7.7　实验14-7：AT指令　223

第　15章 高速缓存基础知识　224

15.1　为什么需要高速缓存　224

15.2　高速缓存的访问延时　225

15.3　高速缓存的工作原理　227

15.4　高速缓存的映射方式　229

15.4.1　直接映射　229

15.4.2　全相连映射　230

15.4.3　组相连映射　230

15.4.4　组相连的高速缓存的例子　231

15.5　虚拟高速缓存与物理高速缓存　232

15.5.1　物理高速缓存　232

15.5.2　虚拟高速缓存　232

15.5.3　VIPT和PIPT　232

15.6　重名和同名问题　233

15.6.1　重名问题　233

15.6.2　同名问题　234

15.6.3　VIPT产生的重名问题　235

15.7　高速缓存策略　236

15.8　高速缓存的共享属性　238

15.8.1　共享属性　238

15.8.2　PoU和PoC的区别　239

15.9　高速缓存的维护指令　241

15.10　高速缓存枚举　242

15.11　实验　245

15.11.1　实验15-1：枚举高速缓存　245

15.11.2　实验15-2：清理高速缓存　245

第　16章 缓存一致性　246

16.1　为什么需要缓存一致性　246

16.2　缓存一致性的分类　247

16.2.1　ARM处理器缓存一致性发展历程　247

16.2.2　缓存一致性分类　248

16.2.3　系统缓存一致性问题　249

16.3　缓存一致性的解决方案　250

16.3.1　关闭高速缓存　250

16.3.2　软件维护缓存一致性　250

16.3.3　硬件维护缓存一致性　250

16.4　MESI协议　251

16.4.1　MESI协议简介　252

16.4.2　本地读写与总线操作　252

16.4.3　MESI状态转换图　253

16.4.4　初始状态为I　253

16.4.5　初始状态为M　256

16.4.6　初始状态为S　257

16.4.7　初始状态为E　258

16.4.8　总结与案例分析　258

16.4.9　MOESI协议　260

16.5　高速缓存伪共享　261

16.6　CCI和CCN缓存一致性控制器　262

16.6.1　CCI缓存一致性控制器　262

16.6.2　CCN缓存一致性控制器　263

16.7　案例分析16-1：伪共享的避免　264

16.8　案例分析16-2：DMA和 高速缓存的一致性　265

16.8.1　从内存到设备的 FIFO缓冲区　266

16.8.2　从设备的FIFO缓冲区到 内存　266

16.9　案例分析16-3：自修改代码的 一致性　267

16.10　实验　268

16.10.1　实验16-1：高速缓存伪共享　268

16.10.2　实验16-2：使用Perf C2C 发现高速缓存伪共享　268

第　17章 TLB管理　269

17.1　TLB基础知识　270

17.2　TLB重名与同名问题　273

17.2.1　重名问题　273

17.2.2　同名问题　274

17.3　ASID　274

17.4　TLB管理指令　276

17.4.1　TLB维护指令介绍　277

17.4.2　TLB广播　278

17.4.3　TLB维护指令的执行次序　278

17.5　TLB案例分析　278

17.5.1　TLB在Linux内核中的应用　278

17.5.2　ASID在Linux内核中的应用　281

17.5.3　Linux内核中的TLB 维护操作　282

17.5.4　BBM机制　284

第　18章 内存屏障指令　287

18.1　内存屏障指令产生的原因　287

18.1.1　顺序一致性内存模型　288

18.1.2　处理器一致性内存模型　289

18.1.3　弱一致性内存模型　289

18.1.4　ARM64处理器的内存模型　290

18.2　ARM64中的内存屏障指令　290

18.2.1　使用内存屏障指令的场景　290

18.2.2　ARM64里的内存屏障指令　291

18.2.3　DMB指令　291

18.2.4　DSB指令　293

18.2.5　DMB和DSB指令的参数　294

18.2.6　单方向内存屏障原语　294

18.2.7　ISB指令　297

18.2.8　高速缓存维护指令与内存屏障指令　299

18.3　案例分析　300

18.3.1　消息传递问题　301

18.3.2　单方向内存屏障与自旋锁　302

18.3.3　邮箱传递消息　304

18.3.4　与数据高速缓存相关的案例　305

18.3.5　与指令高速缓存相关的案例　307

18.3.6　与TLB相关的案例　309

18.3.7　DMA案例　310

18.3.8　Linux内核中使指令高速缓存失效　310

第　19章 合理使用内存屏障指令　312

19.1　存储缓冲区与写内存屏障指令　313

19.2　无效队列与读内存屏障指令　318

19.3　内存屏障指令总结　321

19.4　ARM64的内存屏障指令的区别　322

19.5　案例分析：Linux内核中的内存屏障指令　323

19.5.1　第 一次使用内存屏障指令　324

19.5.2　第二次使用内存屏障指令　326

19.5.3　第三次使用内存屏障指令　329

19.5.4　第四次使用内存屏障指令　330

19.5.5　总结：内存屏障指令的使用　331

第　20章 原子操作　332

20.1　原子操作介绍　332

20.2　独占内存访问指令　333

20.3　独占内存访问工作原理　334

20.3.1　独占监视器　334

20.3.2　独占监视器与缓存一致性　336

20.3.3　独占监视器的粒度　338

20.4　原子内存访问操作指令　338

20.5　比较并交换指令　341

20.6　WFE指令在自旋锁中的应用　342

第　21章 操作系统相关话题　344

21.1　C语言常见陷阱　344

21.1.1　数据模型　344

21.1.2　数据类型转换与整型提升　346

21.1.3　移位操作　348

21.2　函数调用标准　349

21.3　栈布局　351

21.4　创建进程　352

21.4.1　进程控制块　352

21.4.2　0号进程　353

21.4.3　do_fork函数的实现　354

21.4.4　进程上下文切换　355

21.4.5　新进程的第 一次执行　357

21.5　简易进程调度器　357

21.5.1　扩展进程控制块　358

21.5.2　就绪队列run_queue　358

21.5.3　调度队列类　358

21.5.4　简易调度器的实现　360

21.5.5　自愿调度　360

21.5.6　抢占调度　362

21.5.7　测试用例　363

21.6　系统调用　364

21.6.1　系统调用介绍　364

21.6.2　用户态调用SVC指令　364

21.6.3　内核态对系统调用的处理　365

21.6.4　系统调用表　366

21.7　系统启动　367

21.8　实验　368

21.8.1　实验21-1：观察栈布局　368

21.8.2　实验21-2：进程创建　369

21.8.3　实验21-3：进程调度　369

21.8.4　实验21-4：新增一个 malloc()系统调用　369

21.8.5　实验21-5：新增一个clone() 系统调用　370

第　22章 浮点运算与NEON指令　371

22.1　数据模型　371

22.2　浮点运算　373

22.2.1　浮点数　373

22.2.2　浮点控制寄存器与浮点状态寄存器　375

22.2.3　浮点数的条件操作码　377

22.2.4　常用浮点运算指令　377

22.3　NEON指令集　378

22.3.1　SISD和SIMD　378

22.3.2　矢量运算与标量运算　379

22.3.3　加载与存储指令LD1与 ST1　380

22.3.4　加载与存储指令LD2和 ST2　382

22.3.5　加载与存储指令LD3和 ST3　383

22.3.6　加载与存储指令LD4和 ST4　385

22.3.7　加载指令的特殊用法　385

22.3.8　搬移指令　386

22.3.9　反转指令　388

22.3.10　提取指令　389

22.3.11　交错变换指令　390

22.3.12　查表指令　391

22.3.13　乘加指令　391

22.3.14　矢量算术指令　393

22.4　案例分析22-1：RGB24转BGR24 …..393

22.4.1　使用C语言实现RGB24转 BGR24　394

22.4.2　手工编写NEON汇编函数　394

22.4.3　使用NEON内建函数　395

22.4.4　测试　395

22.5　案例分析22-2：4×4矩阵乘法运算　397

22.5.1　使用C语言实现4×4矩阵乘法运算　397

22.5.2　手工编写NEON汇编函数　398

22.5.3　使用NEON内建函数　401

22.5.4　测试　403

22.6　自动矢量优化　404

22.7　实验　406

22.7.1　实验22-1：浮点运算　406

22.7.2　实验22-2：RGB24转BGR32……　407

22.7.3　实验22-3：8×8矩阵乘法 运算…..　407

第　23章 可伸缩矢量计算与优化　408

23.1　SVE指令介绍　408

23.1.1　SVE寄存器组　408

23.1.2　SVE指令语法　410

23.2　搭建SVE运行和调试环境　410

23.3　SVE特有的编程模式　412

23.3.1　断言指令　412

23.3.2　聚合加载和离散存储　414

23.3.3　基于断言的循环控制　415

23.3.4　基于软件推测的向量分区　421

23.4　SVE与SVE2指令集　422

23.5　案例分析23-1：使用SVE指令优化strcmp()函数　422

23.5.1　使用纯汇编方式　423

23.5.2　测试　425

23.6　案例分析23-2：RGB24转BGR24 ….425

23.6.1　使用纯汇编方式　426

23.6.2　使用内嵌汇编方式　426

23.6.3　测试　427

23.7　案例分析23-3：4×4矩阵乘法运算　428

23.7.1　使用内嵌汇编方式　428

23.7.2　测试　430

23.8　实验　431

23.8.1　实验23-1：RGB24转BGR32　431

23.8.2　实验23-2：8×8矩阵乘法运算　432

23.8.3　实验23-3：使用SVE指令优化strcpy()函数　432