Carbo
ARM64 汇编小记
carbofish
  2024-12-03 15:12:45   2024-12-05 16:35:46  5k 字  18 分钟  

记录一下几个指令用法

LDRB 指令

在ARM汇编指令中，LDRB（Load Register Byte）是一种用于加载单个字节数据到寄存器的指令。与LDR指令相比，LDRB会从内存中加载一个字节（8位）而不是一个字（32位）数据，同时支持零扩展（zero-extension）到32位寄存器中。

指令格式

1
LDRB <Rd>, [<Rn>, #<offset>]

参数说明

  • Rd 目标寄存器，用于存储加载的字节值。
  • Rn 基址寄存器，提供内存地址。
  • offset 可选的偏移量（立即数或寄存器），用于计算内存地址。

工作原理

计算地址：根据基址寄存器 Rn 和偏移量 offset 计算出目标内存地址。
读取内存：从该地址读取一个字节数据。
零扩展：将读取到的8位数据扩展为32位（高位填充为0），并存入目标寄存器 Rd。

示例

读取一个字节

1
LDRB R0, [R1]
  • 从 R1 寄存器指向的内存地址读取一个字节，存入 R0 寄存器。
  • 加载的字节内容会被零扩展到32位。

带偏移的加载

1
LDRB R2, [R3, #4]
  • 从 R3寄存器的地址加上偏移量 4 的内存地址读取一个字节，存入 R2。

使用寄存器偏移

1
LDRB R4, [R5, R6]
  • 使用 R5 作为基址，R6的值作为偏移量，读取目标地址的一个字节数据到 R4。

使用场景

  • 读取存储在内存中的单字节数据，例如：
    • 处理字符串（ASCII字符）
    • 操作8位寄存器或标志位数据
    • 处理设备寄存器中的单字节数据

注意事项

零扩展：LDRB 会将读取的8位数据零扩展为32位。如果需要符号扩展，可以使用 LDRSB 指令。
对齐要求：尽管加载一个字节不需要严格的对齐，但应确保基址和偏移的计算结果是有效的内存地址。
内存访问异常：如果目标地址无效或不可访问，会引发数据访问异常。

SXTB 指令

在 ARM 汇编指令集中，SXTB（Sign Extend Byte） 是一种用于符号扩展的指令，它将一个 8 位的有符号值扩展为 32 位的有符号值。

指令功能

SXTB 会从指定寄存器的低 8 位中提取数据，并根据最高有效位（符号位）进行符号扩展：

  • 如果最高有效位（第 7 位）是 0，扩展为正数。
  • 如果最高有效位是 1，扩展为负数。

结果会写入目标寄存器。

指令格式

1
SXTB <Rd>, <Rm> {, <rotation>}

参数说明

  • Rd 目标寄存器，用于存储符号扩展后的 32 位值。
  • Rm 源寄存器，包含要扩展的 8 位数据。
  • rotation（可选）：旋转操作，可以是 ROR #8, ROR #16 或 ROR #24，将源数据按指定位数旋转后再取低 8 位。

工作原理

提取源寄存器 Rm 的低 8 位数据。
根据第 7 位（符号位）进行符号扩展：

  • 若符号位为 1，高位用 1 填充。
  • 若符号位为 0，高位用 0 填充。
    将扩展后的 32 位值存入目标寄存器 Rd。

示例

基本符号扩展

1
SXTB R1, R0
  • 从 R0 的低 8 位提取值。
  • 根据符号位扩展为 32 位，并存入 R1。

如果 R0 = 0xFFFFFF85（低 8 位是 0x85，符号位为 1），则：

  • 符号扩展后：R1 = 0xFFFFFF85（扩展为负数）。

如果 R0 = 0x0000007F（低 8 位是 0x7F，符号位为 0），则：

  • 符号扩展后：R1 = 0x0000007F（扩展为正数）。

带旋转的符号扩展

1
SXTB R2, R3, ROR #8
  • 先将 R3 的值按右旋 8 位。
  • 然后从结果的低 8 位提取值并进行符号扩展，结果存入 R2。

使用场景

  • 处理有符号的 8 位数据：如读取字符（char 类型）或 8 位寄存器数据。
  • 数据对齐和扩展：将单字节数据扩展为 32 位，方便与其他数据操作。
  • 符号正确性：确保符号位在扩展后保持一致，用于数学运算或逻辑操作。

与其他指令的比较

  • SXTB 符号扩展 8 位。
  • UXTB 无符号扩展 8 位（高位填充 0）。
  • LDRSB 从内存加载一个字节并符号扩展。
  • MOV 不进行扩展，直接移动数据。

SXTB 是 ARM 汇编中操作符号位的重要工具，适合处理 8 位有符号数据并将其扩展为 32 位值进行进一步的运算。

在 ARM 汇编语言中，LDP（Load Pair of Registers） 是一种用于同时加载两个寄存器的指令。它是 ARM 架构（尤其是 ARMv8-A）中为优化性能而引入的一种指令，可以一次性从内存中加载两个连续存储的数据到寄存器对。

LDP 指令

指令功能

  • LDP 指令从内存地址中加载两个连续的数据，分别存入两个目标寄存器。
  • 与单个加载指令（如 LDR）相比，LDP 提供了更高的内存访问效率，因为它在一次指令中完成了两次加载操作。

指令格式

1
LDP <Rt>, <Rt2>, [<Rn>{, #<imm>}]

参数说明

  • Rt 第一个目标寄存器，用于存储第一个加载的数据。
  • Rt2 第二个目标寄存器，用于存储第二个加载的数据。
  • Rn 基址寄存器，提供内存的起始地址。
  • imm（可选）：偏移量（字节数），用于从基址 Rn 计算内存地址，默认为 0。

工作原理

计算地址：从基址寄存器 Rn 计算出目标内存地址。如果指定了偏移量 imm，则将其加到 Rn 的值上。
加载数据：

  • 从计算地址加载第一个值存入寄存器 Rt。
  • 从计算地址加上寄存器宽度（通常为 8 字节）的位置加载第二个值存入寄存器 Rt2。
    更新基址（可选）：在某些模式下（如 LDP 加更新地址），基址 Rn 的值会被更新。

示例

基本使用（无偏移）

1
LDP X0, X1, [X2]
  • 从 X2 指向的内存地址加载两个 64 位数据：
    • 第一个数据存入 X0。
    • 第二个数据存入 X1。

带偏移量

1
LDP X3, X4, [X5, #16]
  • 从 X5 + 16 地址开始加载两个数据：
    • 第一个数据存入 X3。
    • 第二个数据存入 X4。

加载后自动更新基址

1
LDP X6, X7, [X8], #16
  • 从 X8 指向的地址加载两个数据：
    • 第一个数据存入 X6。
    • 第二个数据存入 X7。
  • 然后将 X8 的值加上偏移量 16，更新 X8。

使用场景

高效加载连续数据：LDP 可以一次性加载两个连续的内存数据，减少内存访问的次数。
栈操作：

  • 从栈中加载两个寄存器数据：
    1
    LDP X29, X30, [SP], #16
    （用于从栈恢复链寄存器和返回地址）
    数据处理：
  • 用于矩阵计算、加密解密等需要快速加载连续数据的场景。

与其他指令的比较

  • LDR 一次加载一个寄存器的数据。
  • LDP 一次加载两个寄存器的数据，效率更高。
  • STP 存储寄存器对到内存的指令，与 LDP 相对。

通过使用 LDP，可以减少指令数量和内存访问延迟，从而提升代码性能，是 ARM 汇编中非常常用的一种优化指令。

CSEL 指令

CSEL（Conditional Select）是 ARM 架构中用于实现条件选择的一条指令。它根据条件标志（由上一次指令的结果设置）来选择两个操作数之一，并将选择的结果存入目标寄存器。

指令功能

  • CSEL 是一种无分支条件执行指令，可以避免传统分支指令（如 B）可能引入的分支预测失误问题。
  • 根据指定的条件（Condition Code, CC），选择一个值存入目标寄存器。

指令格式

1
CSEL <Rd>, <Rn>, <Rm>, <cond>

参数说明

  • Rd：目标寄存器，用于存储最终选择的值。
  • Rn：第一个源寄存器（条件满足时选择该值）。
  • Rm：第二个源寄存器（条件不满足时选择该值）。
  • cond：条件码，指定选择 Rn 或 Rm 的条件。

工作原理

根据指定的条件码 cond，检查条件标志（由之前指令更新）。
如果条件满足（cond 为真），将 Rn 的值存入 Rd。
如果条件不满足（cond 为假），将 Rm 的值存入 Rd。

条件码（cond）

条件码是 4 位标志，常见的条件如下：

条件码含义描述
EQEqual等于，零标志位（Z）为 1
NENot Equal不等于，零标志位（Z）为 0
CS/HSCarry Set/Unsigned Higher or Same进位标志位（C）为 1
CC/LOCarry Clear/Unsigned Lower进位标志位（C）为 0
MIMinus负数，负标志位（N）为 1
PLPlus正数或零，负标志位（N）为 0
VSOverflow Set溢出标志位（V）为 1
VCOverflow Clear溢出标志位（V）为 0
HIUnsigned HigherC=1 且 Z=0
LSUnsigned Lower or SameC=0 或 Z=1
GEGreater or EqualN=V
LTLess ThanN≠V
GTGreater ThanZ=0 且 N=V
LELess or EqualZ=1 或 N≠V
ALAlways总是执行

示例

条件选择

1
CSEL X0, X1, X2, EQ
  • 如果条件标志 Z=1（EQ 条件成立），则将 X1 的值存入 X0。
  • 如果条件标志 Z=0（EQ 条件不成立），则将 X2 的值存入 X0。

用于最大值计算

1
2
CMP X3, X4          // 比较 X3 和 X4
CSEL X5, X3, X4, GT // 如果 X3 > X4，则选择 X3，否则选择 X4
  • 通过比较指令 CMP 更新条件标志。
  • CSEL 根据比较结果选择较大的值存入 X5。

条件选择替代分支

传统的分支代码：

1
2
3
4
5
6
7
CMP X6, X7
B.GT greater
MOV X8, X7
B done
greater:
MOV X8, X6
done:

可以被简化为：

1
2
CMP X6, X7
CSEL X8, X6, X7, GT

优势

无分支延迟：CSEL 避免了传统分支指令可能引起的分支预测失败问题，从而提升性能。
代码简洁：减少多条分支和跳转指令，优化指令数量。
高效性：非常适合需要快速选择结果而不需要复杂逻辑的场景。

相关指令

  • CSINC 条件选择 + 增量操作。
  • CSINV 条件选择 + 取反操作。
  • CSNEG 条件选择 + 取负操作。

CSEL 是 ARM 汇编中一个强大的条件操作指令，在高效实现条件逻辑和优化分支跳转时非常有用。

UDIV 指令

在 ARM 汇编中，UDIV 是用于无符号整数除法的指令。

指令功能

UDIV 指令计算两个寄存器中值的无符号整数商，并将结果存储到目标寄存器中。

指令格式

1
UDIV <Rd>, <Rn>, <Rm>

参数说明

  • Rd 目标寄存器，用于存储结果（商）。
  • Rn 被除数（Dividend）。
  • Rm 除数（Divisor）。

工作原理

读取操作数：

  • 从寄存器 Rn 中读取被除数（无符号整数）。
  • 从寄存器 Rm 中读取除数（无符号整数）。
    执行无符号除法：
  • 计算 Rn ÷ Rm 的无符号商。
    存储结果：
  • 将计算的商存储到目标寄存器 Rd 中。

示例

基本用法

1
UDIV X0, X1, X2
  • 将寄存器 X1（被除数）的值除以 X2（除数）的值。
  • 将结果（无符号商）存储到寄存器 X0。

示例操作

假设：

  • X1 = 20
  • X2 = 3

执行：

1
UDIV X0, X1, X2

结果：

  • X0 = 6 （整数商，忽略余数）。

使用场景

无符号整数运算：

  • 对非负整数进行除法操作。
    数组索引计算：
  • 在循环中计算步长或分区操作。
    处理无符号数据类型：
  • 常见于嵌入式系统和加密解密算法。

注意事项

除数为 0：

  • 如果 Rm = 0（除数为 0），行为未定义（UNPREDICTABLE）。
  • 在编写代码时应确保除数不为 0。

无符号数据：

  • UDIV 仅适用于无符号数据。如果需要对有符号数据进行除法，请使用 SDIV 指令。

与其他指令的比较

  • UDIV 无符号除法。
  • SDIV 有符号除法。
  • MUL 乘法（无符号/有符号）。
  • SMULL 和 UMULL 64 位乘法扩展

MSUB 指令

在 ARM 汇编中，MSUB 是一种乘法并减法的指令，它的功能是先进行乘法运算，然后将结果从另一个值中减去。

指令功能

MSUB 计算以下数学公式：

1
Rd = Ra - (Rn * Rm)
  • 它会将两个操作数（Rn 和 Rm）相乘，然后从一个累加值（Ra）中减去乘积，并将结果存储在目标寄存器 Rd 中。

指令格式

1
MSUB <Rd>, <Rn>, <Rm>, <Ra>

参数说明

  • Rd 目标寄存器，用于存储最终的结果。
  • Rn 第一个乘数。
  • Rm 第二个乘数。
  • Ra 被减数（累加值）。

工作原理

计算乘积：

  • 将 Rn 和 Rm 相乘，得到乘积 P = Rn * Rm。
    减法操作：
  • 用累加值 Ra 减去乘积 P，即 Rd = Ra - P。
    存储结果：
  • 将最终结果存入目标寄存器 Rd。

示例

基本使用

1
MSUB X0, X1, X2, X3
  • 计算 X0 = X3 - (X1 * X2)。

示例操作

假设：

  • X1 = 4（第一个乘数）
  • X2 = 3（第二个乘数）
  • X3 = 20（累加值）

执行：

1
MSUB X0, X1, X2, X3

结果：

  • X0 = 20 - (4 * 3) = 20 - 12 = 8

使用场景

优化计算公式：

  • 避免单独执行乘法和减法指令，提高运算效率。
  • 可用于公式简化，如 c - (a * b)。

数字信号处理（DSP）：

  • 常用于滤波、矩阵运算等需要大量乘法和减法操作的领域。

图形计算：

  • 在图形处理的几何计算或物理仿真中，常需要计算某种形式的乘法和减法组合。

与其他指令的比较

  • MADD：执行乘法并加法（Rd = Ra + (Rn * Rm)）。
  • MSUB：执行乘法并减法（Rd = Ra - (Rn * Rm)）。
  • MUL：仅执行乘法。
  • SMULL/UMULL：进行乘法并扩展结果为 64 位。
  • SDIV/UDIV：执行有符号/无符号除法。

注意事项

数据类型：

  • MSUB 适用于无符号和有符号整数运算。操作数的符号取决于数据的上下文。

性能优化：

  • MSUB 指令在 ARMv8-A 架构中是硬件加速的，避免了单独使用乘法和减法指令的额外指令开销。

MSUB 是 ARM 指令集中重要的数学运算指令之一，适合处理多步骤运算，帮助开发者简化代码逻辑并提高执行效率。

LDRSB 指令

LDRSB 是 ARM 汇编中的一条指令，用于从内存加载一个字节，并将其符号扩展为 32 位或 64 位，然后存储到目标寄存器中。

指令功能

  • LDRSB（Load Register Signed Byte）会从指定的内存地址加载一个字节（8 位）数据。
  • 将加载的 8 位数据按照其符号位（第 7 位）扩展为：
    • 32 位（用于目标寄存器为 Wn）。
    • 64 位（用于目标寄存器为 Xn）。
  • 符号扩展表示：
    • 如果第 7 位为 0，高位填充为 0。
    • 如果第 7 位为 1，高位填充为 1。

指令格式

1
LDRSB <Rt>, [<Rn>{, #<offset>}]

参数说明

  • Rt 目标寄存器，可以是 32 位（Wn）或 64 位（Xn）。
  • Rn 基址寄存器，提供内存地址。
  • offset（可选）：偏移量，可以是立即数或寄存器值，用于计算内存地址。

工作原理

计算目标地址：

  • 从基址寄存器 Rn 读取地址。
  • 加上偏移量 offset（如果有）得到最终地址。
    从计算出的内存地址加载 8 位数据。
    符号扩展：
  • 根据字节的最高有效位（符号位，第 7 位）扩展到 32 位或 64 位。
  1. 将结果存入目标寄存器 Rt。

示例

基本用法

1
LDRSB W0, [X1]
  • 从 X1 指向的内存地址加载一个字节。
  • 符号扩展为 32 位。
  • 存入 W0。

带偏移量

1
LDRSB X2, [X3, #4]
  • 从 X3 + 4 的地址加载一个字节。
  • 符号扩展为 64 位。
  • 存入 X2。

示例操作

假设内存地址 0x1000 存储值 0xFF（8 位，表示 -1 的补码形式），并执行以下指令：

1
LDRSB W0, [X1]
  • 假设 X1 = 0x1000。
  • 从内存 0x1000 加载字节值 0xFF。
  • 符号扩展：
    • 0xFF（8 位） -> 0xFFFFFFFF（32 位，有符号 -1）。
  • 存入 W0，结果是 0xFFFFFFFF。

如果目标寄存器为 Xn：

1
LDRSB X0, [X1]
  • 符号扩展：
    • 0xFF（8 位）-> 0xFFFFFFFFFFFFFFFF（64 位，有符号 -1）。
  • 存入 X0。

使用场景

处理有符号 8 位数据：

  • 如读取字符（char 类型）或设备寄存器的有符号数据。
    加载小范围整数：
  • 符号扩展后，可以直接参与算术运算而无需额外处理。
    低位处理：
  • 从内存中加载压缩格式的数据（如图像像素或音频样本）。

注意事项

符号扩展：

  • 目标寄存器的大小（Wn 或 Xn）决定符号扩展的结果位宽（32 位或 64 位）。
    对齐问题：
  • 由于加载的是一个字节，通常不需要严格的内存对齐，但基址和偏移量必须指向有效地址。
    内存访问异常：
  • 如果访问的地址无效或不可用，可能会触发异常。

与其他加载指令的比较

  • LDRB：无符号扩展加载字节（高位填充 0）。

  • LDRSB：符号扩展加载字节（高位填充符号位）。

  • LDR：加载 32 位或 64 位数据（不扩展）。

  • LDRSH：符号扩展加载半字（16 位）。

  • LDRSW：符号扩展加载字（32 位）。

STRB 指令

STRB 是 ARM 汇编语言中用于将一个字节（8位）数据从寄存器存储到内存的指令。

指令功能

STRB 的全称是 Store Register Byte，它会将寄存器的低 8 位数据存储到内存中。

指令格式

1
STRB <Rt>, [<Rn>{, #<offset>}]

参数说明

  • Rt 源寄存器，包含需要存储的数据（仅低 8 位会被存储）。
  • Rn 基址寄存器，指向内存地址的起始位置。
  • offset（可选）：偏移量，指定从基址寄存器开始的内存偏移，单位为字节。

工作原理

从源寄存器 Rt 的低 8 位提取字节数据。
计算目标内存地址：

  • 如果没有偏移量，直接使用基址寄存器 Rn。
  • 如果有偏移量，将 Rn 加上 offset 计算目标地址。
    将提取的 8 位数据存储到目标内存地址中。

示例

基本存储

1
STRB W0, [X1]
  • 从 W0 中提取低 8 位数据（例如 0x34）。
  • 将其存储到 X1 指向的内存地址。

带偏移的存储

1
STRB W0, [X1, #4]
  • 从 W0 中提取低 8 位数据。
  • 将其存储到 X1 + 4 的内存地址。

使用寄存器作为偏移

1
STRB W0, [X1, X2]
  • 从 W0 中提取低 8 位数据。
  • 将其存储到 X1 + X2 的内存地址。

示例操作

假设：

  • W0 = 0x12345678
  • X1 = 0x1000
  • 偏移量为 #4

执行：

1
STRB W0, [X1, #4]

结果：

  • 提取 W0 的低 8 位：0x78。
  • 存储到地址 0x1000 + 4 = 0x1004。
  • 内存中：Mem[0x1004] = 0x78

使用场景

存储单字节数据：

  • 将 char 或其他 8 位数据类型存储到内存。
    低位数据处理：
  • 操作某个寄存器的低 8 位，将其写入设备寄存器或内存。
    性能优化：
  • 比完整的 32 位或 64 位存储更节省内存和带宽。

注意事项

存储的数据仅为低 8 位：

  • 只存储寄存器的低 8 位，忽略高 24 位（如果是 32 位寄存器）或高 56 位（如果是 64 位寄存器）。
    对齐和有效地址：
  • ARM 允许字节存储的非对齐访问，但目标地址必须是有效的内存地址。
    数据覆盖：
  • 确保存储的字节不会意外覆盖关键内存。

相关指令

  • LDRB 从内存加载一个字节数据到寄存器。
  • STR 存储一个完整的 32 位或 64 位值到内存。
  • LDR 从内存加载一个完整的 32 位或 64 位值。
ARM64 汇编小记
2024/12/03/arm_study/
作者
carbofish
发布于
2024-12-03 15:12
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  1. LDRB 指令
    1. 指令格式
    2. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 读取一个字节
      2. 带偏移的加载
      3. 使用寄存器偏移
    5. 使用场景
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  2. SXTB 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
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      1. 基本符号扩展
      2. 带旋转的符号扩展
    5. 使用场景
    6. 与其他指令的比较
  3. LDP 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 基本使用（无偏移）
      2. 带偏移量
      3. 加载后自动更新基址
    5. 使用场景
    6. 与其他指令的比较
  4. CSEL 指令
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    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 条件码（cond）
    5. 示例
      1. 条件选择
      2. 用于最大值计算
      3. 条件选择替代分支
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      1. 参数说明
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      1. 基本用法
      2. 示例操作
    5. 使用场景
    6. 注意事项
    7. 与其他指令的比较
  6. MSUB 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 基本使用
      2. 示例操作
    5. 使用场景
    6. 与其他指令的比较
    7. 注意事项
  7. LDRSB 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 基本用法
      2. 带偏移量
    5. 示例操作
    6. 使用场景
    7. 注意事项
    8. 与其他加载指令的比较
  8. STRB 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
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    4. 示例
      1. 基本存储
      2. 带偏移的存储
      3. 使用寄存器作为偏移
    5. 示例操作
    6. 使用场景
    7. 注意事项
    8. 相关指令
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  1. LDRB 指令
    1. 指令格式
    2. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 读取一个字节
      2. 带偏移的加载
      3. 使用寄存器偏移
    5. 使用场景
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    1. 指令功能
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      1. 参数说明
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      1. 基本符号扩展
      2. 带旋转的符号扩展
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    6. 与其他指令的比较
  3. LDP 指令
    1. 指令功能
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      1. 参数说明
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      1. 基本使用（无偏移）
      2. 带偏移量
      3. 加载后自动更新基址
    5. 使用场景
    6. 与其他指令的比较
  4. CSEL 指令
    1. 指令功能
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    7. 相关指令
  5. UDIV 指令
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      2. 示例操作
    5. 使用场景
    6. 注意事项
    7. 与其他指令的比较
  6. MSUB 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 基本使用
      2. 示例操作
    5. 使用场景
    6. 与其他指令的比较
    7. 注意事项
  7. LDRSB 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 基本用法
      2. 带偏移量
    5. 示例操作
    6. 使用场景
    7. 注意事项
    8. 与其他加载指令的比较
  8. STRB 指令
    1. 指令功能
    2. 指令格式
      1. 参数说明
    3. 工作原理
    4. 示例
      1. 基本存储
      2. 带偏移的存储
      3. 使用寄存器作为偏移
    5. 示例操作
    6. 使用场景
    7. 注意事项
    8. 相关指令