ARM64体系结构编程与实践 奔跑吧Linux社区 著 专业科技 文轩网

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——求优选数  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