Linux で Arm64 アセンブリプログラミング (03) Arm64 のレジスタ

Arm64のレジスタ (2015-12-23)

Arm64 は、31 本の 64ビット汎用レジスタ、スタックポインタ、ゼロレジスタ、プログラムカウンタ、 フラグレジスタ、32本の 浮動小数点(Vector)レジスタ、 浮動小数点演算を制御するFPCR レジスタ、FPSR レジスタを 持っています。

Arm64 の 64bit モードのレジスタにはシステム関連の多くの特殊なレジスタがありますが、 OS を作る場合以外は必要ないと思われるのでこのシリーズでは省略します。

汎用レジスタ

汎用レジスタとして、64ビットのレジスタを 31 個持っています。レジスタの 名称は x0 から x30 となっています。各々のレジスタはw0 - w30 として 32ビット のレジスタとしても使うことができます。 32番めのレジスタもありますが、 これは命令によって2つの機能うちの1つの機能を持ちます。 1つはゼロレジスタ ( xzr 、wzr )として読み込むと常に 0 となるレジスタ、もうひとつは スタックポインタ (sp) としての機能を指定することになります。 数値のゼロを使う場合は xzr レジスタ、スタックの内容を読み書きする場合は sp と表記します。 xzr と sp の使い道から考えて、同じレジスタ番号を内部で 使用しても矛盾することがないという判断なのでしょう。ウマイこと考えたものです。

以上の文章だけでは大きさの雰囲気が伝わらない気がするので、 表にしてみました。 31個の64ビットレジスタです。

汎用レジスタの31番目の x30 はリンクレジスタと呼ばれ、 分岐命令「bl」の戻りアドレスを保持するレジスタとしても使用します。

31 個の 64 ビットレジスタは、w0 .. w30 のようにレジスタ名を x ではなく、 w で指定すると32ビットレジスタとして使用できます。 32ビットレジスタとして 読み込んだ場合は、上位32ビットはゼロクリアされます。

スタックポインタ、ゼロレジスタ、プログラムカウンタ

汎用レジスタの他に、スタックトップのアドレスを保持するスタックポインタ、 常にすべてのビットが「0」になっているゼロレジスタ、実行中の命令のメモリ アドレスを保持するプログラムカウンタがあります。 プログラムカウンタは、レジスタの名称(PC)を使って直接読み書きすることはなく、 分岐命令の分岐先やメモリアドレスを指定する場合に、プログラムカウンタからの 相対値として(内部的に) 使うことがあるだけです。

NZCV レジスタ (フラグレジスタ)

演算命令の結果の状態を保持するフラグは NZCV レジスタに 保持されます。NZCV レジスタは 32 ビットのレジスタです。

		演算結果
ビット	フラグ	1	0
31	N	負	正か 0
30	Z	0	それ以外
29	C	キャリー/ボロー発生	桁あふれなし
28	V	オーバーフロー	オーバーフローなし

条件分岐命令は、このレジスタの各ビットの状態で分岐するか しないかを決定します。フラグの組み合わせは以下のようになります。

cond	ニーモニック	意味	フラグ
0000	EQ	等しい	Z = 1
0001	NE	等しくない	Z = 0
0010	CS or HS	キャリーセット	C = 1
0011	CC or LO	キャリークリア	C = 0
0100	MI	負	N = 1
0101	PL	ゼロまたは正	N = 0
0110	VS	オーバーフロー	V = 1
0111	VC	オーバーフローなし	V = 0
1000	HI	＞ 大きい (符号無し)	(C = 1) and (Z = 0)
1001	LS	≦ 小さいか等しい (符号無し)	(C = 0) or (Z =1)
1010	GE	≧ 大きいか等しい (符号付)	N = V
1011	LT	＜ 小さい (符号付)	N <> V
1100	GT	＞ 大きい (符号付)	(Z = 0) and (N = V)
1101	LE	≦ 小さいか等しい (符号付)	(Z = 1) or (N <> V)
1110	AL	Always	Any
1111	NV	Always	Any

NZCV システムレジスタの内容は MRS命令で汎用レジスタにコピーすることができ、 MSR命令で汎用レジスタからNZCV システムレジスタにコピーできます。

    MRS    Xt, NZCV     //  NZCV の Xt への読み出し
    MSR    NZCV, Xt     //  Xt を NZCV に書き込み

浮動小数点(Vector)レジスタ

浮動小数点レジスタは、128ビット全体を使って複数のベクトルの要素を 同時に演算するための Vn レジスタを32本持っています。 ここで n はレジスタの番号で 0 から 31 の値です。

浮動小数点レジスタとメモリ間の読み書きは、汎用レジスタとメモリ間と 同じように簡単に行なえます。 また浮動小数点数の比較結果がそのまま フラグレジスタ(NZCV)に反映されるため、汎用レジスタとおなじ感覚で 扱うことができます。アセンブラでも浮動小数点演算が容易にプログラミング できます。

ベクトルレジスタとして使う場合は次のようにデータのサイズと数をレジスタ名の 後ろに指定します。

名称	サイズとデータ数
Vn.8B	8 bit × 8
Vn.16B	8 bit × 16
Vn.4H	16 bit × 4
Vn.8H	16 bit × 8
Vn.2S	32 bit × 2
Vn.4S	32 bit × 4
Vn.1D	64 bit × 1
Vn.2D	64 bit × 2

また128ビットのVn レジスタ 32本と同じ領域を共有して、 スカラー値(1つの浮動小数点数)を格納するためのレジスタの名称がサイズ毎に 決まっています。小さいサイズのレジスタもそれぞれ 32 本までとなっていて、 1つの128ビットレジスタに小さいサイズのレジスタを詰め込むことはせず、 128ビットのうち下位の領域だけを使います。 128ビットの Qn レジスタ、倍精度浮動小数点数を格納する64ビットの Dn レジスタ、 単精度浮動小数点数を格納する 32 ビットの Sn レジスタ、 半精度浮動小数点数を格納する 16ビットの Hn レジスタ、 バイトデータを格納する Bn レジスタとなります。

ここでも n はレジスタの番号で 0 から 31 の値です。

FPCR レジスタ

FPCR (Floating-point Control Register) レジスタは 32 ビットのレジスタです。整数と浮動小数点間の変換に伴う「丸め」も専用の命令があるため、このレジスタを操作することはないと思います。

フラグの意味

フラグ	bit	機能
AHP	26	半精度浮動小数点数のフォーマット。0でIEEE 754規格に準拠
DN	25	デフォルトのNaNの動作
FZ	24	Flush-to-zeroモード。0でIEEE 754規格に準拠
RMode	23:22	丸めモード
Stride	21:20	AArch64では機能なし
Len	18:16	AArch64では機能なし
IDE	15	非正規化数入力例外トラップ有効化
IXE	12	精度低下例外トラップ有効化
UTE	11	アンダーフロー例外トラップ有効化
OFE	10	オーバーフロー例外トラップ有効化
DZE	9	ゼロ除算例外トラップ有効化
IOE	8	Invalid Operation例外トラップ有効化

丸めモード(RMode)

上の表の RMode は演算時の丸め演算を指定するフラグとなっていて、 次のようなモードを持っています。

         3     2     1     0    -1    -2    -3
         +-----+-----+-----+-----+-----+-----+
 RN(00)  |   *->                 <-*         |  四捨五入(最も近い整数)
         +-----+-----+-----+-----+-----+-----+
 RP(01)  |     <---*             <---*       |  値が大きくなる方向
         +-----+-----+-----+-----+-----+-----+
 RM(10)  | *--->                   *--->     |  値が小さくなる方向
         +-----+-----+-----+-----+-----+-----+
 RZ(11)  | *--->                 <---*       |  切り捨て(ゼロに向かって)
         +-----+-----+-----+-----+-----+-----+

FPCR レジスタの内容は MRS命令で汎用レジスタにコピーすることができ、 MSR命令で汎用レジスタから FPCR レジスタにコピーできます。

    MRS    Xt, FPCR     //  FPCR の Xt への読み出し
    MSR    FPCR, Xt     //  Xt を FPCR に書き込み

FPSR レジスタ

FPSR (Floating-point Status Register) レジスタは 32 ビットの レジスタです。 浮動小数点演算関連のシステム情報を保持しています。

FPSR レジスタの内容は MRS命令で汎用レジスタにコピーすることができ、 MSR命令で汎用レジスタから FPSR レジスタにコピーできます。

    MRS    Xt, FPSR     //  FPCR の Xt への読み出し
    MSR    FPSR, Xt     //  Xt を FPCR に書き込み

FPCR の N、Z、C、V フラグは 64 ビットモードでは使われず、 NZCVレジスタ (フラグレジスタ) を使用します。

次はロード命令

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