汇编基础介绍——ARMv8指令集（三）

一、入栈与出栈

栈（stack）是一种后进先出的数据存储结构。栈通常用来保存以下内容。

• 临时存储的数据，例如局部变量等。
• 参数。在函数调用过程中，如果传递的参数少于或等于 8 个，那么使用 X0~X7 通用寄存器来传递。当参数多于 8 个时，则需要使用栈来传递。

通常，栈是一种从高地址往低地址扩展（生长）的数据存储结构。栈的起始地址称为栈底，栈从高地址往低地址延伸到某个点， 这个点称为栈顶。 栈需要一个指针来指向栈最新分配的地址，即指向栈顶。这个指针是栈指针（Stack Pointer，SP） 。把数据往栈里存储称为入栈，从栈中移除数据称为出栈。当数据入栈时，SP 减小，栈空间扩大；当数据出栈时，SP 增大，栈空间缩小。

栈在函数调用过程中起到非常重要的作用，包括存储函数使用的局部变量、传递参数等。在函数调用过程中，栈是逐步生成的。为单个函数分配的栈空间，即从该函数栈底（高地址）到栈顶（低地址）这段空间，称为栈帧（stack frame） 。

A32 指令集提供了 PUSH 与 POP 指令来实现入栈和出栈操作，不过， A64 指令集已经去掉了 PUSH 和 POP 指令。本节内容介绍如何使用加载与存储指令来实现入栈和出栈操作。

为什么 A64 指令集去掉了 PUSH 和 POP 指令呢？AI 的回答如下，仅供参考：

一、寄存器资源的大幅扩展

A64 架构将通用寄存器从 A32 的 16 个（含 PC）扩展至 31 个（X0-X30），其中 X30 作为专用链接寄存器（LR）。这一变化显著降低了对栈操作的依赖。

• 函数调用优化：A64 的 ABI（如 AAPCS64）规定，前 8 个参数通过寄存器 X0-X7 传递，而 A32 仅支持 4 个参数寄存器。更多的寄存器使得函数可以在寄存器中保存更多临时变量和状态，减少了需要入栈保存的寄存器数量。
• 减少栈操作频率：寄存器数量的增加直接减少了为保存 / 恢复寄存器状态而使用 PUSH/POP 的需求。例如，在 A32 中常见的PUSH {r4, lr}操作，在 A64 中可通过寄存器分配避免或简化。

二、指令集的简化与正交性设计

A64 的指令集设计强调单一功能原则和正交性，避免专用指令的冗余：

• 移除批量操作指令：A64 取消了 A32 中的 LDM/STM、PUSH/POP 等批量寄存器操作指令，转而使用 LDP/STP 指令操作一对寄存器。例如，A32 的PUSH {r0, r1}可替换为 A64 的STP x0, x1, [sp, #-16]!，这种显式操作更灵活，且避免了隐式栈指针调整带来的复杂性。
• 提高编译器优化空间：正交的指令设计（如统一使用 STR/LDR 访问内存）使编译器能更自由地生成高效代码。例如，现代编译器可通过寄存器重命名和指令调度优化 STR/LDR 序列，其性能可能优于固定的 PUSH/POP 指令。

三、架构性能与编码效率的优化

A64 的指令集设计目标之一是提升硬件执行效率和代码密度：

• 指令编码空间的节省：A64 的指令固定为 32 位编码，移除 PUSH/POP 等专用指令可为其他功能（如更大的立即数范围、新的 SIMD 指令）腾出编码空间。
• 减少指令依赖：PUSH/POP 指令的多寄存器操作可能引入流水线阻塞（如多个寄存器同时写入），而 STR/LDR 的单寄存器操作更易于硬件调度，提升指令级并行性。
• PC 相对寻址优化：A64 的 PC 相对偏移范围扩大至 ±1MB（条件分支）和 ±128MB（无条件分支），减少了对文本池的依赖，进一步优化了代码密度和缓存利用率。

四、兼容性与未来扩展的考量

A64 作为全新设计的 64 位指令集，需与 A32/T32 指令集明确区分：

• 避免历史包袱：A32 的 PUSH/POP 指令在设计时需兼容早期 ARM 架构的限制（如寄存器数量少、栈对齐规则），而 A64 无需继承这些历史约束，可从头优化栈操作模型。
• 支持混合执行状态：ARMv8 允许 AArch64 和 AArch32 状态在异常边界切换，但 A64 代码无法直接调用 A32 的 PUSH/POP 指令，避免了指令集混淆带来的兼容性问题。

下面的代码片段使用加载与存储指令来实现入栈和出栈操作。

.globalmain
main:
    /*栈往下扩展 16字节*/
    stp x29, x30, [sp, #-16]!

    /*把栈继续往下扩展 8字节*/
    add sp, sp, #-8

    mov x8, #1

    /*x8保存到 SP指向的位置上*/
    str x8, [sp]

    /*释放刚才扩展的 8字节的栈空间*/
    add sp, sp, #8

    /*main函数返回 0*/
    mov w0, 0

    /*恢复 x29和 x30寄存器的值，使 SP指向原位置*/
    ldp x29, x30, [sp], #16
    ret

上述 main 汇编函数演示了入栈和出栈的过程。

在第 2 行中，栈还没有申请空间，如下图所示：

在第 4 行中，这里使用前变基模式的 STP 指令，首先 SP 寄存器的值减去 16，相当于把栈空间往下扩展 16 字节，然后把 X29 和 X30 寄存器的值压入栈，其中 X29 寄存器的值保存到 SP 指向的地址中，X30 寄存器的值保存到 SP 指向的值加 8 对应的内存地址中，如下图所示：

在第 7 行中，把 SP 寄存器的值减去 8，相当于把栈的空间继续往下扩展 8 字节，如下图所示：

在第 12 行中，把 X8 寄存器的值保存到 SP 指向的地址中，如下图所示。此时，已经把 X29、X30 以及 X8 寄存器的值全部压入栈，完成了入栈操作。

接下来是出栈操作了。

在第 15 行中，使 SP 指向的值加 8，相当于把栈空间缩小，也就是释放了刚才申请的 8 字节空间的栈，这样把 X8 寄存器的值弹出栈，如下图所示：

在第 21 行中，使用 LDP 指令把 X29 和 X30 寄存器中的值弹出栈。这是一条后变基模式的加载指令，加载完成之后会修改 SP 指向的值，让 SP 指向的值加上 16 从而释放栈空间，如下图所示：

二、MOV指令

MOV 指令常常用于寄存器之间的搬移和立即数搬移。

用于寄存器之间搬移的 MOV 指令格式如下。

MOV <Xd|SP>, <Xn|SP>

用于立即数搬移的 MOV 指令格式如下。

MOV <Xd>, #<imm>

这里能搬移的立即数只有两种：

• 16 位立即数；
• 16 位立即数左移 16 位、32 位或者 48 位后的立即数。

下面的代码是错误的。因为0x1ABCD 不是一个有效的 16 位立即数，汇编器会报错。

mov x0, 0x1abcd

三、加法与减法指令

3.1、ADD 指令

普通的加法指令有下面几种用法。

• 使用立即数的加法。
• 使用寄存器的加法。
• 使用移位操作的加法。

3.1.1、使用立即数的加法指令

使用立即数的加法指令格式如下。

ADD <Xd|SP>, <Xn|SP>, #<imm>{, <shift>}

它的作用是把 Xn/SP 寄存器的值再加上立即数 imm，把结果写入 Xd/SP 寄存器里。其中 imm 是一个无符号的立即数，取值范围为 0～4095。shift 为可选项，用来表示算术左移操作，且左移的位数只能是0和12。

下面是正确的用法。

//把 x1寄存器的值加上立即数 1，结果写入 x0寄存器中
add x0, x1, #1 

//把立即数 1算术左移 12位，然后再加上 x1寄存器的值，结果写入 x0寄存器中
add x0, x1, #1，LSL 12

下面是错误的用法。

// 立即数超过了范围
add x0, x1, #4096

// 左移的位数只能是 0 或者 12。
add x0, x1, #1，LSL 1

3.1.2、使用寄存器的加法指令

使用寄存器的加法指令格式如下。

ADD <Xd|SP>, <Xn|SP>, <R><m>{, <extend> {#<amount>}}

这条指令的作用是先把 Rm 寄存器做一些扩展，例如左移操作，然后再加上 Xn/SP 寄存器的值，把结果写入 Xd/SP 寄存器中。其中extend为可选项，有如下取值：

• UXTB 表示对 8 位的数据进行无符号扩展。
• UXTB 表示对 16 位的数据进行无符号扩展。
• UXTW 表示对 32 位的数据进行无符号扩展。
• UXTX|LSL UXTX 表示对 64 位数据进行无符号扩展， LSL 表示逻辑左移（可选）。
• SXTB 表示对 8 位的数据进行有符号扩展。
• SXTH 表示对 16 位的数据进行有符号扩展。
• SXTW 表示对 32 位的数据进行有符号扩展。
• SXTX 表示对 64 位的数据进行有符号扩展。

使用寄存器的加法指令如下。

//x0 = x1 + x2
add x0, x1, x2

//x0 = x1 + x2 << 2
add x0, x1, x2, LSL 2 

下面也是使用寄存器的加法指令。

mov x1, #1
mov x2, #0x108a
add x0, x1, x2, UXTB
add x0, x1, x2, SXTB

上面的示例代码中，第 3 行的运行结果为 0x8B，因为 UXTB 对 X2 寄存器的低 8 位数据进行无符号扩展，结果为 0x8A，然后再加上 X1 寄存器的值，最终结果为 0x8B。

在第 4 行中， SXTB 对 X2 寄存器的低 8 位数据进行有符号扩展，结果为 0xFFFFFFFFFFFFFF8A，然后再加上 X1 寄存器的值，最终结果为 0xFFFFFFFFFFFFFF8B。

3.1.3、使用移位操作的加法指令

使用移位操作的加法指令的格式如下。

ADD <Xd>, <Xn>, <Xm>{, <shift> #<amount>}

这条指令的作用是先把 Xm 寄存器做一些移位操作，然后再加上 Xn 寄存器的值，结果写入 Xd 寄存器中。其中 shift 表示移位操作，有如下取值：

• LSL：逻辑左移。
• LSR：逻辑右移。
• ASR：循环右移。

amount 表示移位的数量，取值范围是 0～63。

如下代码用于实现移位操作加法。

//x0 = x1 + x2 << 3
add x0, x1, x2, LSL 3

下面的代码是错误的。因为 amount 参数已经超过了取值范围，汇编器会报错。

add x0, x1, x2, LSL 64

3.2、ADDS 指令

ADDS 指令是 ADD 指令的变种，唯一的区别是指令执行结果会影响 PSTATE 寄存器的 N、Z、C、V 标志位，例如当计算结果发生无符号数溢出时，C=1。

下面的代码使用了 ADDS 指令。

mov x1, 0xffffffffffffffff
adds x0, x1, #2
mrs x2, nzcv

X1 的值（0xFFFFFFFFFFFFFFFF）加上立即数 2 一定会触发无符号数溢出，最终 X0 寄存器的值为 1，同时还设置 PSTATE 寄存器的 C 标志位为 1。我们可以通过读取 NZCV 寄存器来判断，最终 X2 寄存器的值为 0x20000000，说明第 29 位的 C 字段置 1，如下图所示：

3.3、ADC 指令

ADC 是进位的加法指令，最终的计算结果需要考虑 PSTATE 寄存器的 C 标志位。ADC 指令的格式如下。

ADC <Xd>, <Xn>, <Xm>

Xd 寄存器的值等于 Xn 寄存器的值加上 Xm 寄存器的值加上 C，其中 C 表示 PSTATE 寄存器的 C 标志位。

如下代码使用了 ADC 指令。

mov x1, 0xffffffffffffffff
mov x2, #2
adc x0, x1, x2
mrs x3, nzcv

ADC 指令的计算过程是 0xFFFFFFFFFFFFFFFF + 2 + C，因为 0xFFFFFFFFFFFFFFFF + 2 的过程中已经触发了无符号数溢出， C=1，所以最终计算 X0 寄存器的值为 2。若读取 NZCV 寄存器，我们发现 C 标志位也被置位了。

3.4、SUB 指令

普通的减法指令与加法指令类似，也有下面几种用法。

• 使用立即数的减法。
• 使用寄存器的减法。
• 使用移位操作的减法。

3.4.1、使用立即数的减法指令

使用立即数的减法指令格式如下。

SUB <Xd|SP>, <Xn|SP>, #<imm>{, <shift>}

它的作用是把 Xn/SP 寄存器的值减去立即数 imm，结果写入 Xd/SP 寄存器里。其中 imm 是一个无符号的立即数，取值范围为 0～4095。shift 为可选项，用来表示算术左移操作，且左移的位数只能是0和12。

如下代码使用了 SUB 指令。

//把 x1 寄存器的值减去立即数 1，结果写入 x0 寄存器
sub x0, x1, #1

//把立即数 1 算术左移 12 位，然后把 x1 寄存器中的值减去立即数 1 的结果算术左移
//12 位的值写入 x0 寄存器中
sub x0, x1, #1，LSL 12

3.4.2、使用寄存器的减法指令

使用寄存器的减法指令格式如下。

SUB <Xd|SP>, <Xn|SP>, <R><m>{, <extend> {#<amount>}}

这条指令的作用是先对 Rm 寄存器做一些扩展，例如左移操作，然后 Xn/SP 寄存器的值减 Rm 寄存器的值，把结果写入 Xd/SP 寄存器中。其中 extend 为可选项，用于对第二个源操作数进行扩展计算，取值参考 3.1.2 小节。

如下代码使用了寄存器的减法指令。

//x0 = x1 - x2
sub x0, x1, x2

//x0 = x1 - x2 << 2
sub x0, x1, x2, LSL 2

下面的代码也使用了寄存器的减法指令。

mov x1, #1
mov x2, #0x108a
sub x0, x1, x2, UXTB
sub x0, x1, x2, SXTB

上面的示例代码中，UXTB 对 X2 寄存器的低 8 位数据进行无符号扩展，结果为 0x8A，然后再计算 1 − 0x8A 的值，最终结果为 0xFFFFFFFFFFFFFF77。

在第 4 行中， SXTB 对 X2 寄存器的低 8 位数据进行有符号扩展，结果为 0xFFFFFFFFFFFFFF8A，然后再计算 1 − 0xFFFFFFFFFFFFFF8A，最终结果为 0x77。

3.4.3、使用移位操作的减法指令

使用移位操作的减法指令的格式如下。

SUB <Xd>, <Xn>, <Xm>{, <shift> #<amount>}

这条指令的作用是先把 Xm 寄存器做一些移位操作，然后使 Xn 寄存器中的值减去 Xm 寄存器中的值，把结果写入 Xd 寄存器中。其中 shift 表示移位操作，有如下取值：

• LSL：逻辑左移。
• LSR：逻辑右移。
• ASR：循环右移。

amount 表示移位的数量，取值范围是 0～63。

下面的代码用于实现移位操作减法。

//x0 = x1 - x2 << 3
add x0, x1, x2, LSL 3

3.5、SUBS 指令

SUBS 指令是 SUB 指令的变种，唯一的区别是指令执行结果会影响 PSTATE 寄存器的 N、Z、C、V 标志位。 SUBS 指令判断是否影响 N、Z、C、V 标志位的方法比较特别，对应的伪代码如下。

operand2 = NOT(imm);
(result, nzcv) = AddWithCarry(operand1, operand2, '1');
PSTATE.<N,Z,C,V> = nzcv;

首先，把第二个操作数做取反操作。然后，根据以下公式计算。

operand1 + NOT(operand2) + 1

NOT(operand2)表示把 operand2 按位取反。在这个计算过程中要考虑是否影响 N、Z、 C、V 标志位。当计算结果发生无符号数溢出时，C=1；当计算结果为负数时，N=1。

如下代码会导致 C 标志位为 1。

mov x1, 0x3
mov x2, 0x1
subs x0, x1, x2
mrs x3, nzcv

SUBS 指令仅仅执行“3 − 1”的操作，为什么会发生无符号溢出呢？

第二个操作数为 X2 寄存器的值，对应值为 1，按位取反之后为 0xFFFFFFFFFFFFFFFE。根据计算公式，计算 3 + 0xFFFFFFFFFFFFFFFE + 1，这个过程会发生无符号数溢出，因此 4 个标志位中的 C=1，最终计算结果为 2。 因此，最后一行读取 NZCV 寄存器的值——0x20000000。

如下代码会导致 C 和 Z 标志位都置 1。

mov x1, 0x3
mov x2, 0x3
subs x0, x1, x2
mrs x3, nzcv

第二个操作数为 X2 寄存器的值，该值为 3，按位取反之后为 0xFFFFFFFFFFFFFFFC。根据公式计算 3 + 0xFFFFFFFFFFFFFFFC + 1 的过程中会发生无符号数溢出，因此 C=1。另外，最终结果为 0，所以 Z=1。

3.6、SBC 指令

SBC 是进位的减法指令，也就是最终的计算结果需要考虑 PSTATE 寄存器的 C 标志位。 SBC 指令的格式如下。

SBC <Xd>, <Xn>, <Xm>

下面是 SBC 指令中对应的伪代码。

operand2 = NOT(operand2);
(result, -) = AddWithCarry(operand1, operand2, PSTATE.C);
X[d] = result;

所以，SBC 指令的计算过程是，首先对第二个操作数做取反操作，然后把第一个操作数、第二个操作数相加，这个过程会影响 PSTATE 寄存器的 C 标志位，最后把 C 标志位加上。

综上所述，SBC 指令的计算公式为

Xd = Xn + NOT(Xm) + C 

如下代码使用了 SBC 指令。

mov x1, #3
mov x2, #1
sbc x0, x1, x2
mrs x3, nzcv

SBC 指令的计算过程是 3 + NOT(1) + C。NOT(1)表示对立即数 1 按位取反，结果为 0xFFFFFFFFFFFFFFFE。那么，计算 3 + 0xFFFFFFFFFFFFFFFE 的过程中会发生无符号数溢出，C=1，再加上 C 标志位，最后计算结果为2。