AARCH64 Assembly - Khởi đầu (Phần 1)
Nhập môn AARCH64 Assembly: registers, instructions, memory operations cơ bản.
1. Khởi đầu
Trong phần này, chúng ta sẽ bắt đầu khám phá ngôn ngữ assembly AARCH64.
1.1. Registers
Vào buổi bình minh của thời đại, các bộ xử lý trung tâm (CPU) có thể hoạt động trực tiếp trên bộ nhớ vì cả hai đều có tốc độ tương đối giống nhau. CPU trở nên nhỏ hơn và nhanh hơn, khiến tốc độ của bộ nhớ bị bỏ lại phía sau, đồng thời bộ nhớ cũng ngày càng xa hơn.
Một CPU có thể nằm trên một board trong khi RAM nằm trên board khác và phải được truy cập qua một bus chung. CPU tiếp tục trở nên nhỏ hơn và nhanh hơn, có thể nằm trên một chip trong khi RAM nằm trên một tập hợp chip khác.
Ý tưởng về registers được giới thiệu từ rất lâu như là super fast storage được triển khai trực tiếp trong CPU. Vì chúng nằm trong CPU, nên khoảng cách không thực sự là vấn đề. Tương tự, vì chúng nằm trong CPU, chúng hoạt động với tốc độ của chính CPU.
Registers không có địa chỉ vì chúng không nằm trong bộ nhớ. Thay vào đó, chúng có names và naming conventions. Chúng chỉ có khái niệm tối thiểu về kiểu dữ liệu vì ngoài integer, floating point (single hoặc double precision) và pointer, mọi khái niệm “type” khác đều là syntactic sugar được cung cấp bởi ngôn ngữ và compiler của bạn.
Bộ xử lý ARM là bộ xử lý RISC (Reduced Instruction Set Computers). Ý tưởng cơ bản đằng sau RISC là làm cho các instruction đơn giản hơn để tạo chỗ cho nhiều registers hơn. AARCH64 (cái mà chúng ta đang học) có rất nhiều registers; 32 integer registers và 32 floating point registers.
Ngoài ra, các floating point registers cũng có thể phục vụ như vector hoặc SIMD registers (sẽ học sau).
Một số registers được dành riêng cho các mục đích cụ thể (sẽ học sau).
rn có nghĩa là register “of some type” number n.
Loại register được chỉ định bằng một chữ cái. Register nào trong một loại nhất định được chỉ định bằng một số. Có một số ngoại lệ cho điều này.
Đây là tóm tắt giới thiệu:
| Chữ cái | Loại |
|---|---|
| x | 64 bit integer hoặc pointer |
| w | 32 bit hoặc nhỏ hơn integer |
| d | 64 bit floats (doubles) |
| s | 32 bit floats |
Một số loại register đã được bỏ qua.
1.1.1. Integers
| Khai báo integer này | Đây LÀ một integer |
|---|---|
| char | wn |
| short | wn |
| int | wn |
| long | xn |
Registers không cần phải được khai báo. Chúng đơn giản LÀ có sẵn.
Có 32 integer registers nhưng một số, như x30 được sử dụng cho các mục đích cụ thể. x31 cũng không khả dụng.
Khi bạn muốn một phép toán integer 64 bit, bạn sử dụng x register. Đối với tất cả các phép toán integer khác, bạn sử dụng w register và chỉ định thêm kích thước bằng cách sử dụng các instruction khác nhau, như bạn sẽ thấy sau.
Các x và w registers chiếm cùng một không gian. w0 là nửa dưới của x0 chẳng hạn. Ghi vào x0 sẽ ghi đè w0 và ngược lại.
1.1.2. Pointers
| Khai báo pointer này | Đây LÀ một pointer |
|---|---|
| **type *** | xn |
Tất cả pointers được lưu trữ trong x registers. X registers dài 64 bits nhưng nhiều hệ điều hành không hỗ trợ không gian địa chỉ 64 bit vì việc theo dõi không gian địa chỉ lớn như vậy bản thân nó sẽ sử dụng rất nhiều không gian. Thay vào đó, các OS thường có không gian địa chỉ 48 đến 52 bit. Vì vậy, trong khi một pointer nằm trong một register 64 bit, có thể không phải tất cả các bit đều thực sự được sử dụng trong việc tạo pointer.
1.1.3. Floats
Có 32 registers bổ sung cho các giá trị floating point từ half floats đến single precision đến double precision và hơn thế nữa. Cái gì vượt ra ngoài double? Vector registers có thể hỗ trợ nhiều giá trị trong một register “rất lớn” duy nhất.
Nếu bạn chưa bao giờ nghe về half floats, đừng lo lắng. Sau khóa học này, bạn có thể sẽ không bao giờ nghe về chúng nữa.
1.2. Instructions
Bạn còn nhớ RISC nghĩa là gì không? Nó là viết tắt của Reduced Instruction Set Computer – tức là kiến trúc với tập lệnh đơn giản. Điều này đúng trong quá khứ, nhưng hiện nay kiến trúc AArch64 của ARM đã có một bộ lệnh rất lớn – gồm hàng trăm lệnh, và mỗi lệnh có thể có nhiều biến thể khác nhau. Nghe có vẻ áp lực, nhưng đừng lo – bạn không cần học hết. Chỉ cần hiểu và nắm vững những lệnh quan trọng, bạn vẫn có thể viết được những chương trình phức tạp.
Một điều đặc biệt trong AArch64 là mọi lệnh (instruction) đều có độ dài chính xác 4 byte (tức 32-bit). CPU sẽ giải mã lệnh dựa hoàn toàn vào 4 byte đó – từ việc biết đây là lệnh gì, phiên bản nào của lệnh, sử dụng thanh ghi nào, và thao tác với dữ liệu gì. Tất cả đều được mã hóa trong đúng 4 byte này.
Bạn có thể sẽ tự hỏi:
“Nếu một lệnh luôn chỉ có 4 byte, vậy làm sao để load được một số nguyên rất lớn (ví dụ 64-bit) vào thanh ghi?”
Đó là câu hỏi hợp lý – và sẽ có lời giải thích ở phần sau. Hãy kiên nhẫn.
Khi so sánh với kiến trúc x86/x64 của Intel, sự khác biệt hiện rõ: Intel dùng kiểu CISC (Complex Instruction Set Computer), cho phép độ dài lệnh thay đổi, từ 1 đến 15 byte. Điều này mang lại tính linh hoạt cao, nhưng cũng làm cho việc giải mã lệnh trở nên phức tạp hơn rất nhiều.
Cuối cùng, mỗi lệnh được thể hiện bằng một mnemonic – tức là tên viết tắt gồm một vài chữ cái (ví dụ MOV, ADD, STR…), và assembler sẽ chuyển những mnemonic đó thành mã máy (opcode) để CPU thực thi.
Hầu hết (nhưng không phải tất cả) các instruction AARCH64 có ba operands. Chúng được đọc theo cách sau:
op ra, rb, rc
có nghĩa là:
ra = rb op rc
Ví dụ cụ thể:
sub x0, x0, x1
có nghĩa là:
x0 = x0 - x1
Một ví dụ về instruction hai operand là:
mov x0, x1
Điều này có nghĩa là copy nội dung 64 bit của x1 vào register 64 bit x0.
Hoặc:
x0 = x1
1.3. Trộn lẫn các loại Register
Trong hầu hết các trường hợp, bạn không thể trộn các loại thanh ghi (register) có kích thước khác nhau trong cùng một lệnh.
Ví dụ, bạn không thể cộng một thanh ghi 64-bit (x) với một thanh ghi 32-bit (w) trong cùng một câu lệnh – điều đó sẽ gây lỗi.
1.3.1. Ví dụ
mov w0, 10 // Gán giá trị 10 (32-bit) vào thanh ghi w0
Bạn không thể làm như sau:
add x1, w0, x1 // Sai! Không thể trộn w0 (32-bit) và x1 (64-bit)
Thay vào đó, bạn cần dùng các thanh ghi cùng loại, ví dụ đều là x (64-bit):
add x1, x0, x1 // Hợp lệ - tất cả đều là thanh ghi 64-bit
Khi bạn gán một giá trị nhỏ hơn 64-bit (ví dụ 32-bit) vào một thanh ghi kiểu w, thì các bit cao hơn trong thanh ghi x tương ứng sẽ tự động bị đặt về 0.
Điều này có nghĩa là:
- Nếu bạn ghi vào
w0, thìx0cũng được cập nhật. - Bit từ
0 đến 31chứa giá trị mới. - Bit từ
32 đến 63sẽ được đặt thành 0.
Đây là zero-extension, không phải sign-extension.
Vì vậy, bạn có thể an toàn sử dụng x0 sau khi vừa gán giá trị vào w0 – kết quả vẫn đúng như mong đợi.
1.4. Hai Instructions để xử lý Memory
Với rất ít ngoại lệ, kiến trúc AArch64 chỉ cho phép thực hiện các phép toán trên dữ liệu nằm trong các thanh ghi (register).
Điều đó có nghĩa là bạn không thể thao tác trực tiếp lên dữ liệu trong RAM bằng các phép toán cộng, trừ, nhân… như trên một số kiến trúc khác.
Thay vào đó, nếu muốn làm việc với dữ liệu trong bộ nhớ, bạn cần sử dụng hai loại lệnh riêng biệt:
- Lệnh nạp (load): chuyển dữ liệu từ RAM vào thanh ghi
- Lệnh lưu (store): chuyển dữ liệu từ thanh ghi vào RAM
Cả hai loại lệnh này đều cần chỉ rõ:
- Thanh ghi (register) dùng để lưu/đọc dữ liệu
- Địa chỉ trong RAM mà dữ liệu được đọc từ hoặc ghi vào – địa chỉ này phải nằm trong một thanh ghi kiểu
x(64-bit)
1.4.1. Lệnh Load (ldr)
Cú pháp tổng quát:
ldr rn, [xm]
Tương đương trong ngôn ngữ C:
1
2
3
type *ptr = some_address;
type var;
var = *ptr;
Hiểu đơn giản: lấy giá trị tại địa chỉ some_address trong RAM, và gán nó vào rn.
1.4.2. Lệnh Store (str)
Cú pháp tổng quát:
str rn, [xm]
Tương đương trong C:
1
2
3
type *ptr = some_address;
type var;
*ptr = var;
Hiểu đơn giản: ghi giá trị từ thanh ghi rn vào địa chỉ some_address trong RAM.
Tóm lại:
Bạn phải luôn nạp dữ liệu vào thanh ghi trước khi tính toán, và phải lưu lại vào RAM nếu muốn giữ kết quả.
Các phép toán chỉ xảy ra trong register – RAM chỉ là nơi lưu trữ trung gian.
1.4.3. Ghi chú mở rộng
- Các phép trên chỉ là tương đương logic, không phải dịch đúng 100% – nhưng gần đúng để bạn dễ hình dung.
- Bạn cũng có thể nạp hoặc lưu cùng lúc hai thanh ghi bằng các lệnh:
stp– store pair (lưu 2 register cùng lúc)ldp– load pair (nạp 2 register cùng lúc)
- Ngoài ra, AArch64 hỗ trợ:
- Post-increment / Post-decrement: tự động tăng/giảm địa chỉ sau khi truy cập
- Pre-increment / Pre-decrement: tự động tăng/giảm địa chỉ trước khi truy cập
Các tính năng này rất hữu ích trong thao tác với mảng, stack, hay khi duyệt qua nhiều ô nhớ liên tiếp.