Ассемблер ARM64

Общие регистры общего назначения (X0–X30)

•

X0–X30

– 31 регистр общего назначения по 64 бита.

•

X0–X7

– используются для передачи аргументов и возвращаемых значений по вызовам (первый аргумент в

X

0 и т.д.; до

X

7).

•

X8

–

временный

/внутренний регистр (indirect result location / intra-procedure-call scratch).

•

X9–X15

– временные (

scratch

) регистры.

•

X16–X17

–

IP

0,

IP

1 – плейсхолдеры для промежуточных значений/внутренних вызовов (

intra

–

procedure

–

call

scratch

). Часто используются как регистры для вызовов в связке с межпроцедурными вызовами.

•

X18

–

platform

register

(может быть зарезервирован ОС/платформой). На

Linux

обычно свободен для использования как

General

Purpose

в пользовательском коде, но системные соглашения могут отличаться.

•

X19–X28

– калл‑сейв регистры

(callee-saved):

вызываемая функция обязана сохранять/восстанавливать их, если использует.

•

X29

–

Frame Pointer (FP)

по соглашению

(

если используется опорный кадр

).

•

X30

–

Link Register (LR)

– содержит адрес возврата при вызове

BL/BLR.

•

Регистры 32‑битной части именуются

W0

–

W30;

операции над

Wn

пишут старшие биты

Xn

обнуляя (

zero

–

extend

).

Stack Pointer и спецификации

•

SP

–

Stack

Pointer

, 64‑бит (есть и

WSP

для 32‑бит операций).

SP

всегда должен быть выровнен по 16 байтам согласно

ABI

при вызове функций.

•

Используйте

FP

(

X

29) и

LR

(

X

30) для организации кадра, если нужен

frame

pointer

; многие компиляторы могут его не использовать (

frame

pointer

omission

).

Специальные регистры

•

NZCV

– флаги состояния

(Negative, Zero, Carry, oVerflow)

в регистре

PSTATE

, устанавливаются арифметическими/логическими инструкциями с суффиксом

S

(например

, ADDS).

•

PC

–

Program

Counter

(не адресуем напрямую как общий регистр, но читается/изменяется косвенно при ветвлениях).

•

PSTATE

– процессорное состояние (флаги и состояние исключений/режимов). Доступ ограничён; для чтения/записи используются специальные инструкции или системные привилегии.

•

NZCV

– можно получить через

MRS/MRS instructions

в привилегированных контекстах или специальные псевдоинструкции ассемблера.

Регистры находятся внутри процессорного ядра, поэтому доступ к ним происходит быстрее, чем к любой памяти (кеш, ОЗУ). Именно благодаря регистрами процессор может выполнять инструкции за несколько тактов, а не за десятки, как при работе с внешней памятью.

Команды

Каждая команда (инструкция) представлена фиксированным 32‑битным машинным кодом, но в исходном тексте она записывается в более читаемом виде:

<операция> <операнд1>, <операнд2>, <операнд3> ; комментарий

•

операция – мнемоника (например

, ADD, LDR, B).

•

операнды – регистры, константы, метки, смещения и т.п.

•

комментарий – начинается с ; и игнорируется компилятором.

Директивы

Директивы – это команды, которые обрабатываются только на этапе ассемблирования. Они не попадают в машинный код, а управляют размещением данных, определяют символы, задают параметры сборки и т.п.

ДИРЕКТИВА

НАЗНАЧЕНИЕ

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

.text

Открывает секцию кода (инструкций). По умолчанию размещается в исполняемой памяти.

.text

.data

Открывает секцию данных (инициализированных).

.data

.bss

Открывает секцию неинициализированных данных (выделяется в памяти, но не хранится в объектном файле).

.bss

.global / .globl

Делает символ (метку) видимым за пределами текущего файла (экспорт).

.global _start

.type

Указывает тип символа (функция, объект). Требуется для некоторых линкеров.

.type _start, %function

.size

Задает размер функции/объекта (используется при отладке).

.size _start, . – _start

.align

Выравнивает следующую секцию/данные по указанному границе (в байтах или степеням двойки).

.align 4

;выравнивание по 16 байт

.org

Устанавливает текущий смещение (адрес) внутри секции.

.org 0x1000

.equ / .set

Определяет константу (символ‑замену).

.equ BUFFER_SIZE, 256

.macro / .endm

Объявление макроса, который может принимать параметры.

.macro push_regs regliststp \reglist, [sp, #-16]!.endm

.if / .else / .endif

Условная ассемблирование (компиляция части кода только при выполнении условия).

.if __ARM_FEATURE_CRYPTO__ .inst 0xd503201f.endif

.include

Включает внешний файл (аналог #include).

.include "constants.inc"

.byte, .hword, .word, .dword

Вставка данных фиксированного размера (8, 16, 32, 64 бит).

.word 0xDEADBEEF

.ascii / .asciz

Вставка строк без/с нулевым терминатором.

.asciz "Hello, world\n"

.skip / .space

Заполняет область нулями (или другим значением) заданного размера.

.skip 64

.section

Открывает произвольную секцию с указанием атрибутов (например, .section .rodata,"a").

.section .rodata,"a"

.func / .endfunc

Явно ограничивает границы функции (полезно для отладчиков).

.func my_func … .endfunc

.cfi_*

Директивы для генерации информации о раскладке стека (Call Frame Information) – нужны отладчикам и исключениям.

.cfi_startproc … .cfi_endproc

Как они взаимодействуют

Секции (.text, .data, .bss, .rodata и т.п.) определяют, где в объектном файле будет размещён код или данные.

Выравнивание (.align, .org) гарантирует, что последующие инструкции/данные находятся на корректных границах, что критично для производительности и корректного доступа к памяти.

Экспорт/импорт (.global, .type) позволяют другим объектным файлам видеть функции/переменные.

Константы и макросы (.equ, .macro) упрощают поддержку кода и позволяют менять параметры без правки множества мест.

Условные директивы (.if/.else/.endif) позволяют писать один файл, который собирается по‑разному для разных целевых платформ (например, наличие криптографических инструкций).

Эти директивы составляют основу любого проекта на ассемблере и позволяют контролировать как генерацию машинного кода, так и структуру итогового исполняемого файла.

Выравнивание (Alignment)

Процессоры, работают эффективнее, когда доступ к данным происходит по адресам, кратным размеру этих данных.

•

32-битные данные (4 байта) лучше всего загружаются/сохраняются по адресам, кратным 4.

•

64-битные данные (8 байт) лучше всего загружаются/сохраняются по адресам, кратным 8.

Если вы попытаетесь загрузить 64-битное значение по адресу, не кратному 8, это может привести к:

•

Исключению (

Alignment

Fault

): Процессор может вызвать ошибку.

•

Снижению производительности: Процессор может выполнить несколько операций для чтения данных, или операционная система может исправить ошибку “на лету”, что замедлит выполнение.

Ассемблер и линкер на macOS обычно автоматически позаботятся о выравнивании для статических данных (используя директивы типа .align). Однако, при работе с динамической памятью или при ручном управлении смещениями, вам может потребоваться учитывать выравнивание самостоятельно.

Глава 3 Инструкции по передачи данных

Инструкции по передаче данных являются фундаментальными элементами ассемблера. Они позволяют перемещать данные между регистрами, памятью и непосредственными значениями, обеспечивая основу для любых операций в программе. В этой главе мы рассмотрим основные инструкции передачи данных, их синтаксис, примеры использования и особенности применения.

Перемещение константы в регистр

Инструкция MOV является основным инструментом для копирования значений. Когда речь идет о перемещении константы (непосредственного значения) в регистр, MOV также является выбором номер один.

MOV , #immediate

•

:

Регистр назначения, куда будет помещено непосредственное значение. Это может быть 64-битный регистр (

x

0-

x

30,

xzr

) или 32-битный регистр (

w

0-

w

30,

wzr

).

•

#immediate:

Непосредственное значение, которое должно быть помещено в регистр.

Как это работает:

Инструкция MOV с непосредственным значением напрямую встраивает значение в код программы. Ассемблер преобразует это число в машинный код, который процессор может непосредственно использовать.

; Поместить число 100 в 64-битный регистр x0

mov x0, #100

После выполнения этой инструкции, регистр x0 будет содержать значение 100. Старшие 32 бита регистра x0 будут заполнены нулями, поскольку 100 – это положительное число, помещающееся в 32 бита.

Перемещение 32-битного значения:

mov x1, #255

После выполнения этой инструкции, младшие 32 бита регистра x1 (т.е. w1) будут содержать 255. Старшие 32 бита регистра x1 будут обнулены.

mov x5, #0

Хотя это работает, более идиоматичным и часто более эффективным способом обнуления регистра является использование нулевого регистра xzr (или wzr для 32-битных):

mov x5, xzr ; x5 = 0

Это потому, что xzr всегда содержит 0, и эта инструкция является простой копией из специального регистра.

Перемещение отрицательных чисел:

; Поместить число -1 в 64-битный регистр x0

mov x0, #-1

В двоичном представлении -1 – это все единицы. Поэтому x0 будет содержать 0xFFFFFFFFFFFFFFFF.

Ограничения на размер непосредственного значения:

Важно понимать, что ARM64 имеет ограничения на размер непосредственного значения, которое может быть напрямую встроено в инструкцию MOV. Обычно это 12-битное или 16-битное значение, которое может быть расширено (но не бесконечно).