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，最后剖析了内存管理、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。

奔跑吧Linux社区 由一群志同道合的工程师组成，致力于Linux等开源软件与推广，为广大工程师和读者提供深入的开源知识分享。

1.内容系统，突出动手实践
基于树莓派4B开发板，系统介绍ARM64体系结构，内容由浅入深，帮助读者开发运行小型的OS
2.以问题为导向，提高学习效率
深入浅出的问题导向式学习方法，各大公司高频面试题，提高读者阅读兴趣
3.趣味案例，常见陷阱总结
基于树莓派4B开发板和QEMU实验平台，总结了众多一线工程师在实际项目中遇到的陷阱与经验，让你不再害怕踩雷
4.海量资源随书赠送
本书赠送配套VMware开发环境，Linux软件包，QEMU+ARM64实验平台仓库，芯片资料，实验参考代码和配套资料以及配套教学视频供读者参考学习

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——求最大数　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