arm64 linux 除零正常返回,arm64程序调用规则

前言

这篇主要介绍arm64程序调用规则，详细分析了程序调用过程中，参数是如何传递的。Android、iOS、Linux等基本遵循这些规则，但是各个操作系统平台也有小部分自己特定的规则。下一篇，我将介绍iOS平台的特定规则。

术语介绍

术语

意义

A32

在ARMv7架构中，使用32位固定长度指令的ARM指令集。

A64

AArch64可用时的指令集。

AAPCS64

AArch64程序调用标准。(PCS：Procedure Call Standard)

AArch32

ARMv8中的32位通用寄存器，兼容ARMv7-A。

AArch64

ARMv8中的64位通用寄存器

ABI(Application Binary Interface)

汇编接口规范，跟执行环境相关，比如Linux ABI，说的是Linux环境下的汇编接口规范；

ARM-based

基于ARM

Floating point

根据上下文有这三种意思：(1)遵循IEEE 754 2008的浮点运算; (2)ARMv8浮点指令集; (3)一个被ARMv8浮点指令集和ARMv8 SIMD指令集共享的寄存器组。

Q-o-I

Quality of Implementation

SIMD

Single Instruction Multiple Data 一条指令操作多个数据

T32

T32使用可变16bit和32bit

Routine, subroutine

Routine：调用者；subroutine：被调用者

Procedure

没有返回值的函数

Function

有返回值的函数

PIC, PID

Position-independent code, position-independent data.

Program state

指程序内存和寄存器的值

Caller- saved register

调用者在调用函数之前，保存寄存器(一般入栈)，函数返回后恢复寄存器(一般出栈)

Callee-saved register

被调用者(函数内部)，在起始地方保存寄存器，在结束时，恢复寄存器

NGRN(The Next General-purpose Register Number )

可以理解为，记录r0-r7(见下文寄存器)使用个数，参数传递前设为0，每放一个参数进入寄存器(整型寄存器)，值加1。当等于8时候，说明r0-r7寄存器使用完了，再有参数，只能放入内存了。

NSRN (The Next SIMD and Floating-point Register Number)

同上，记录v0-v7使用个数

NSAA (The next stacked argument address)

记录参数放入内存，参数传递前设为SP，所以内存中参数范围应该是 sp~NSAA。详细见下文参数传递

数据类型和对齐

基本数据类型

Type ClassMachine TypeByte

sizeNatural

Alignment

(bytes)

IntegralUnsigned byte11

Signed byte11

Unsigned half-

word22

Signed half-

word22

Unsigned word44

Signed word44

Unsigned

double-word88

Signed double-

word88

Unsigned quad-

word1616

Signed quad-

word1616

Floating PointHalf precision22

Single precision44

Double

precision88

Quad precision1616

Short vector64-bit vector88

128-bit vector1616

PointerData pointer88

Code pointer88

程序调用规则

寄存器

arm64有两种寄存器：

处理整型和指针的寄存器

通用寄存器和AAPCS64用法

寄存器

别名

意义

Stack Pointer:栈指针

r30

Link Register:在调用函数时候，保存下一条要执行指令的地址。

r29

Frame Pointer:保存函数栈的基地址。

r19...r28

Callee-saved registers(含义见上面术语解释)

r18

平台寄存器，有特定平台解释其用法。如果平台未把其做特殊用途，可当做临时寄存器使用。(iOS平台保留的寄存器，应用不可使用)

r17

IP1

The second intra-procedure-call temporary register (can be used by call veneers and PLT code); at other times may be used as a temporary register.

r16

IP0

The first intra-procedure-call scratch register (can be used by call veneers and PLT code); at other times may be used as a temporary register.

r9...r15

临时寄存器

在一些情况下，返回值是通过r8返回的

r0...r7

r0-r7在函数调用过程中传递参数和返回值

NZCV

状态寄存器：N(Negative)负数 Z(Zero) 零 C(Carry) 进位 V(Overflow) 溢出

arm64有31个通用整型寄存器，r0-r30。当使用64bits时候，命名x0-x30；使用32bits时，命名w0-w30。当寄存器在此程序调用标准中具有固定角色时，使用大写。

SIMD 和 Floating-Point寄存器

ARM64有32个寄存器v0-v31，用于处理SIMD和浮点运算。长度不同称谓也不同，b，h，s，d，q，分别代表byte(8位)，half(16位)，single(32位)，double(64位)，quad(128位)。v0-v7在函数调用过程中传递参数和返回值；v8-v15 是Callee-saved registers(见术语解释)，且是保存前64bits(更大的位数，调用者负责保存)，v0-v7, v16-v31不需要保存或者调用者保存。

进程、内存、栈

一个进程的内存可分为5类：

代码区。只能被进程读，不可些。

可写静态数据。

只读静态数据。

堆。

栈。

可写静态数据可以细分为初始化，零初始化和未初始化数据。除了栈之外，其它4类内存不需要占用连续的内存。进程必须具有一些代码和栈，其它3类不是必须有。

堆是由进程管理的内存区域，通常用于创建动态数据对象。

内存地址

地址空间包括一个或多个不相交的区域。区域不能跨越零地址，但是可以从零开始。

标记寻址(tagged addressing)的使用是特定平台解释的。当禁用标记寻址时，指针的所有64位都被传递到地址转换系统。启用标记寻址时，为了进行地址转换，将忽略指针的前八位。注意：此tagged addressing，非iOS里的Tagged Pointer。

栈

栈是连续的内存空间，可用于存储局部变量和参数传递(用于传递参数的寄存器不够用时候)。栈地址是从高到低，栈的地址保存在SP中。

栈使用限制：

Stack-limit < SP <= stack-base

进程只能访问这个范围内的栈空间：[SP, stack-base – 1]

SP mod 16 = 0

函数调用

A64指令集包含函数调用指令BL和BLR。

执行BL：PC(program counter)顺序的下一个值，也就是返回地址(函数调用完成返回要执行指令的地址)，存放到LR中，将跳转地址传给PC。BLR跟BL类似，只不过PC的值是从寄存器中读取。

参数传递

参数可通过r0-r7、v0-v7，栈来传递；如果参数个数不多，且参数可放进寄存器，那仅用寄存器传递参数。

可变参数

可变参数可分为命名参数(已声明的)和匿名参数(可选的参数)。

当可变参数的函数，调用时候，没有可选参数时候(只有已声明的参数)，调用过程和固定参数的函数一样的。

参数传递规则

参数传递从概念上可以分为2阶段：

从源语言参数类型到机器类型的映射(不同源语言，映射规则不同)

整理机器类型，生成最终参数列表

参数传递过程分为3个阶段：

阶段A – 初始化

(在开始处理参数之前，该阶段仅执行一次)

NGRN = 0 (NGRN意义，见术语)

NSRN = 0 (NSRN意义，见术语)

NSAA = SP(NSAA意义，见术语)

阶段B - 预填充和扩展参数 (把参数列表中的每一个参数，去匹配下面规则，第一个被匹配到的规则，应用到该参数上。)

如果参数类型是复合类型，调用者和被调用者都不能确定其大小，则将参数复制到内存中，并将参数替换为指向该内存的指针。 (C / C ++语言中没有这样的类型，其它语言存在。)

如果参数是HFA或HVA类型，则参数不修改。

如果参数是大于16个字节的复合类型，调用者申请一个内存，将参数复制到内存里去，并将参数替换为指向该内存的指针。

如果参数是复合类型，则参数的大小向上舍入为最接近8个字节的倍数。(例如参数大小为9字节，修改为16字节)

阶段C- 把参数放到寄存器或栈里 (参数列表中的每个参数，将依次应用以下规则，直到参数放到寄存器或栈里，此参数处理完成，然后再从参数列表中取参数。注：将参数分配给寄存器时，寄存器中未使用的位的值不确定。将参数分配给栈时，未填充字节的值不确定。)

(1) 如果参数是half(16bit)，single(16bit)，double(32bit)或quad(64bit)浮点数或Short Vector Type，并且NSRN小于8，则将参数放入寄存器v[NSRN]的最低有效位。 NSRN增加1。此参数处理完成。

(2) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)或HVA(homogeneous short vector aggregate)类型，且NSRN + (HFA或HVA成员个数) ≤ 8，则每个成员依次放入SIMD and Floating-point 寄存器，NSRN=NSRN+ HFA或HVA成员个数。此参数处理完成。

(3) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)或HVA(homogeneous short vector aggregate)类型，但是NSRN已经等于8(说明v0-v7被使用完毕)。则参数的大小向上舍入为最接近8个字节的倍数。(例如参数大小为9字节，修改为16字节)

(4) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)、HVA(homogeneous short vector aggregate)、quad(64bit)浮点数或Short Vector Type，NSAA = NSAA+max(8, 参数自然对齐大小)。

(5) 如果参数是half(16bit)，single(16bit)浮点数，参数扩展到8字节(放入最低有效位，其余bits值不确定)

(6) 如果参数是HFA(homogeneous floating-point aggregate)、HVA(homogeneous short vector aggregate)、half(16bit)，single(16bit)，double(32bit)或quad(64bit)浮点数或Short Vector Type，参数copy到内存，NSAA=NSAA+size(参数)。此参数处理完成。

(7) 如果参数是整型或指针类型、size(参数)<=8字节，且NGRN小于8，则参数复制到x[NGRN]中的最低有效位。 NGRN增加1。此参数处理完成。

(8) 如果参数对齐后16字节，NGRN向上取偶数。(例如：NGRN为2，那值保持不变；假如NGRN为3，则取4。注：iOS ABI没有这个规则)

(9) 如果参数是整型，对齐后16字节，且NGRN小于7，则把参数复制到x[NGRN] 和 x[NGRN+1]，x[NGRN]是低位。NGRN = NGRN + 2。此参数处理完成。

(10) 如果参数是复合类型，且参数可以完全放进x寄存器(8-NGRN>= 参数字节大小/8)。从x[NGRN]依次放入参数(低位开始)。未填充的bits的值不确定。NGRN = NGRN + 此参数用掉的寄存器个数。此参数处理完成。

(11) NGRN设为8。

(12) NSAA = NSAA+max(8, 参数自然对齐大小)。

(13) 如果参数是复合类型，参数copy到内存，NSAA=NSAA+size(参数)。此参数处理完成。

(14) 如果参数小于8字节，参数设置为8字节大小，高位bits值不确定。

(15) 参数copy到内存，NSAA=NSAA+size(参数)。此参数处理完成。

从上面规则，可以得到经验：

处理完参数列表中所有的参数后，调用者一定知道传递参数用了多少栈空间。(NSAA - SP)

浮点数和short vector types通过v寄存器和栈传递，不会通过r寄存器传递。(除非是小复合类型的成员)