Armv8 - ADRP指令详解

ADRP指令

• 作用
  • 将当前指令所在页的基地址加/减去字节差，并写入目标寄存器
    • 字节差：与目标地址页基地址的间隔字节数，其为PAGE_SIZE的整数倍
    • 此时的字节差就是指令所操作的立即数
  • 该指令通常配合add指令来向目标寄存器写入完整的地址
  • 最后通过br、blr实现长跳转

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ADRP指令字节码

• 案例
  • 0x90 0xFF 0xFF 0xE1
• 对应二进制
  • 1001 0000 1111 1111 1111 1111 1110 0001

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字节码按位拆分

• 对照表

   1    00      10000  1111 1111 1111 1111 111   00001
  |31| 30-29  | 28-24 | 23-5                    | 4-0 |
  |sf| immlo  |       | immhi                   | rd  |

• 寄存器位 4-0
  • 0 0001 -> 表示x1寄存器
  • 如果是 0 0000 -> 则表示x0寄存器
  • 以此类推
    • 0 0010 -> x2
    • 0 0011 -> x3
    • . .... -> x...
• 立即数位（高19位） 23-5
  - 1111 1111 1111 1111 111
• adr指令位 28-24
  • 10000
  • 至于为什么是adr指令位而不是adrp指令位，是因为我发现两者是相同的
  • adr与adrp的差异在于第31位是否为1
• 立即数位（低2位） 30-29
  • 00
• 64位操作位 31
  • 1
  • 当该位为1时表示adrp指令，当为0时表示adr指令

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指令操作数的推导过程

• 在armv8指令手册中是这么写的
  • SignExtend(immhi:immlo:Zeros(12), 64);
• 字面理解就是
  • 有符号扩展（操作数高位：操作数低位：12个0，总长64位）
• 根据上述案例配合表达式进行计算
  • 拼接结果
    • = 1111 1111 1111 1111 111 00 0000 0000 0000
    • = 0x1 FFFF C000
  • 符号扩展步骤及结果
    • = 0x1 FFFF C000 << 31 >>31
    • = 0xFFFF FFFF FFFF C000
    • = -16384
  • 也就是说，要在当前指令所在页基地址基础上减去16384字节
  • -16384/PAGE_SIZE = -4， 也就是4页的大小

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指令的执行

• 经过对案例的推导，得出操作数为-16384
• 那么该指令执行时就会进行以下步骤
  • 首先会获取当前指令所在地址
    • 注意其与b、bl等指令一致，获取的均是当前指令字节码的起始地址，非下条指令也非本指令末尾处
  • 将当前指令所在地址&=~0xFFF，以抹去低12位，得到指令所在页基地址
  • 将获取到的基地址减去16384，得到目标页基地址
  • 将目标页基地址写入指定的寄存器中，本案例为x1寄存器

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答疑解惑

• 看到此处，或许有些人会疑惑
  • adrp的操作数是从哪来的？我明明在asm嵌入的是一个符号（函数、变量）啊？
• 对此就不得不提到ld了
  • 源码编译过gcc以及熟悉编译过程的朋友肯定知道这个工具
  • 其负责的是整个编译环节中的链接过程，比如常见的symbol ******* is not define/found编译错误就是它抛出来的
  • adrp的操作数应该是多少，在链接环节才会被确定，因为你利用asm嵌入的符号，在链接阶段才能确认其在字节码中的相对位置
  • 所以adrp的操作数是ld链接器负责计算并将偏移量结果静态写入的
  • 看到这里可能有人又要问：为什么要写入一个相对偏移量，既然已经知道了符号地址，直接将地址写入不就好了，写偏移地址岂不是脱裤子放屁
    • 这个问题就得从二进制文件的编译讲起了
    • 当你反汇编一个二进制文件时，会毫不意外的发现他们的地址都是0x0开始（非入口点地址）
    • 但是0x0地址往往都是系统内核在使用，那么每个程序运行时都真的在内存中的0x0作为起始地址吗？
    • 非也非也，不然每个程序一运行起来，不就把内核的生存空间抢走了吗，内核都嗝屁了程序还运行个毛啊
    • 所以内核会为每个应用分配一个虚拟地址空间，也就是说 程序运行时的地址 = 程序静态地址 + 虚拟基地址
    • 故而链接器ld，它才会使用字节偏移量而不是静态地址，因为它怎么可能知道后续程序在运行时分配的虚拟基地址是什么
• 注意：此(gcc-ld/ld)链接器非彼(ld-linux)链接器
  • 前者是编译时的链接，在编译时查找有无缺失的符号，完善位置相关的代码
  • 后者是运行时的链接，在run-time遍历并查找需要的符号
• 至此打住... 不然话题又扯远了@_@...