AArch64寄存器介绍

作者简介

周文嘉，目前就职于某国产 AI GPU 芯片公司，曾服务于 ARM、阿里巴巴、HTC 等公司，拥有 10 年以上工作经验，主要从事系统软件开发，涵盖系统库开发、指令集优化、Linux内核开发等，为某些开源社贡献过一定数量的补丁，担任 Free time team 创始人，致力于免费教育事业。

邵靖杰，目前就职于某国产大型机 ARM CPU 研究所，主要从事众核处理器的系统级缓存研发工作。

张健，先后在 SUSE、华为、区块链创业公司、寒武纪等公司工作，担任工程师、架构师、技术合伙人等，研究方向包括 ARM、Linux 发行版、Linux 内核、RISC-V 和虚拟化。

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目录

1.2 AArch64 寄存器堆................................2

1.2.1 通用寄存器 ...................................2

1.2.2 特殊寄存器 ...................................2

1.2.3 系统控制寄存器 ...........................2

1.2.4 处理器状态 ...................................3

1.2.5 函数调用标准 ...............................4

作为 RISC 架构，AArch64 提供了大量的通用寄存器。除通用寄存器之外，本节还会介绍特殊寄存器、系统控制寄存器、处理器状态、函数调用标准。

1.2.1 通用寄存器

通用寄存器分为两类。其中一类寄存器包括 X0～X30，用于普通的指令集，每个寄存器都有 64 位（Xn）和 32 位（Wn）两种表示形式。其中 32 位的表示形式是 64 位表示形式的低 32位。另一类寄存器包括 V0～V31，用于浮点运算、SIMD、crypto 等领域。每个寄存器长度都是128 位（Qn），它们有 64 位（Dn）、32 位（Sn）、16 位（Hn）、8 位（Bn）这 4 种表示形式。以 X0 和 V0 为例，X0 是 64 位寄存器，它的低 32 位是 W0。V0 也称为 Q0，Q0 是一个128 位的寄存器，它的低 64 位称为 D0，它的低 32 位称为 S0，它的低 16 位称为 H0，它的低8 位称为 B0，如图 1.1 所示。

1.2.2 特殊寄存器

XZR 和 WZR 分别对应 64 位与 32 位的零寄存器。对这些寄存器进行读操作，将会获取到0；对这些寄存器进行的写操作将会被处理器忽略。与 ARM 的 32 位架构不同，PC 寄存器已经不再是一个通用寄存器，无法直接访问。ARM 指令的长度是 4 字节，因此对于 ARMv8 上的纯 ARM 指令来说，PC 寄存器是按字节对齐的。SP 寄存器也不再是一个通用寄存器，SP寄存器强制按 16 字节对齐。

1.2.3 系统控制寄存器

ARM 的系统控制寄存器都以“_ELx”为后缀，其中“x”表示某异常级别（Exception Level，EL）的一个数字，如 SCTLR_EL1。后缀的数字意味着能够访问该寄存器的最低异常级别，ARM的系统控制寄存器如表 1.1 所示。

MRS 和 MSR 指令用于读写系统控制寄存器，示例代码如下。

MRS    X0, SCTLR_EL1     // X0 = SCTLR_EL1 MSR    SCTLR_EL1, X0     // SCTLR_EL1 = X0

常用的系统控制寄存器及其功能如表 1.2 所示。

ARM 的系统控制寄存器数量庞大，详细的介绍可以参考文档 DDI0487F_b_ARMv8_arm.pdf。

1.2.4 处理器状态

AArch64 通过 PSTATE（process state）的标志位来保存处理器的状态，处理器执行指令的时候，可以读取和设置这些标志位。这些标志位既可以通过 mrs/msr 指令进行访问，也可以通过 DAIFSet、DAIFClr、SPSel、PAN、UAO 等指令直接访问。PSTATE 寄存器的标志位如表 1.3 所示。

1.2.5 函数调用标准

1．AArch64 基本指令集函数调用规则

AArch64 提供了 31 个 64 位的通用寄存器 X0～X30，SP 寄存器已经变成了一个专用寄存器。这些寄存器的描述如表 1.4 所示。

值得注意的是，X16 和 X17 寄存器在动态链接的时候，可能会被某些链接器用于实现特殊功能。X18 寄存器在 Darwin 和 Windows 平台上会保留作为平台寄存器使用。在代码优化的时候，这 3 个寄存器要谨慎使用。

2．AArch64 NEON

指令集函数调用规则 AArch64 提供了 32 个 128 位的寄存器（V0～31），可以用来进行 SIMD 和浮点运算。其中，V0～V7 这 8 个寄存器用来传递参数和函数返回值，V8～V15 这 8 个寄存器需要由被调函数保存（只需要保存这些寄存器的低 64 位即可）。D8～D15 是 V8～V15 寄存器的低 64 位，因此通过如下的代码片段保存 D8～D15 的内容，就可以在函数中使用 V0～V31 这 32 个寄存器了。

stp        d8, d9, [sp, -192]! 
stp        d10, d11, [sp, 16] stp        d12, d13, [sp, 32] stpd14,d15,[sp,48]

3．AArch64 SVE

指令集函数调用规则 如果平台支持 SVE 扩展，那么 AArch64 会提供 32 个可变长的向量寄存器 Z0～Z31。每个寄存器都可以用来进行 SIMD 和浮点运算，其中 Z0～Z7 用来传递参数和函数返回值。Z8～Z15 这 8 个寄存器需要由被调函数保存（只需要保存这些寄存器的低 64 位即可）。AArch64 还为 SVE 提供了 16 个断言寄存器 P0～P15，其中 P0～P3 这 4 个寄存器用来传递参数和函数返回值。

审核编辑：汤梓红