【arm】arm架構32位彙編優化總結

Date: 2018.8.18

---

一、參考：

https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/80764811
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/81287824
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/81058147
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/80770034
http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.den0018a/index.html

二、Arm彙編架構和Reference Manuals

ARM是RISC（精簡指令集）處理器，不一樣於x86指令集（CISC,複雜指令集）。
Arm32位是ARMV7架構，32位的，對應處理器爲Cortex-A15；
iphone5之前均是32位的；
須要注意：ARMV7-A和ARMV7-R系列支持neon指令集，ARMv7-M系列不支持neon指令集。

ARMV7架構A和R系列參考手冊下載地址：
https://static.docs.arm.com/ddi0406/cd/DDI0406C_d_armv7ar_arm.pdf

Arm64位是ARMV8架構，64位的，對應處理器有Cortex-A5三、Cortex-A5七、iphone5s的A七、iphone6的A8等。
ARMV8架構參考手冊下載地址：
https://developer.arm.com/docs/ddi0487/latest/arm-architecture-reference-manual-armv8-for-armv8-a-architecture-profile
https://static.docs.arm.com/ddi0487/ca/DDI0487C_a_armv8_arm.pdf
全部ARM參考文檔地址：
https://developer.arm.com/docs
http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0403e.b/index.html

中文手冊：
https://developer.arm.com/products/software-development-tools/compilers/arm-compiler-5/docs/dui0529/j/overview-of-arm-compiler/about-the-toolchain-documentation

三、Arm32位寄存器

主要分爲ARM寄存器和NEON寄存器。
ARM32寄存器包括15個通用寄存器R0~R14和一個程序計數器PC，共16個，均爲32位寬。
ARM32位寄存器的調用規則：遵循ATPCS調用規則，詳細參見
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/81287824

32位 NEON寄存器：
包括：32個S寄存器，S0~S31,（單字，32bit）
32個D寄存器，D0~D31，（雙字，64bit）
16個Q寄存器，Q0~Q15，（四字，128bit）
寄存器的對應關係以下圖所示：

使用注意：
一、NEON寄存器將每一個寄存器均視爲一個向量，該向量又包含1，2，4，8或16個大小和類型均相同的元素。也能夠將各個元素當作標量訪問。
NEON的這三種寄存器是重疊的，物理地址是同樣的。
二、NEON寄存器在使用時，若是用到d8~d15寄存器，須要先入棧保存vpush {d8-d15}，使用完以後要出棧vpop {d8-d15}

四、ARM指令尋址方式

ARM指令集的尋址方式與x86指令集大部分相同，但也有其特有的尋址方式，好比寄存器偏移尋址，多寄存器尋址和堆棧尋址。
ARM指令共有9種尋址方式，具體參見：
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/80770034

五、ARM指令特色以及優化技巧

ARM彙編特色1：LDR/STR架構
ARM採用RISC架構，CPU自己不能直接讀取內存，而須要先將內存中內容加載入CPU中通用寄存器中才能被CPU處理。
ldr（load register）指令將內存內容加載入通用寄存器。
str（store register）指令將寄存器內容存入內存空間中。
ldr/str組合用來實現 ARM CPU和內存數據交換。

ARM彙編特色2：指令後綴
同一指令常常附帶不一樣後綴，變成不一樣的指令。常用的後綴有：
B（byte）功能不變，操做長度變爲8位
H（half word）功能不變，長度變爲16位
S（signed）功能不變，操做數變爲有符號
如 ldr ldrb ldrh ldrsb ldrsh
S（S標誌）功能不變，影響CPSR標誌位
W（寬型）
L（長型）
N（窄型）
S（飽和）
Q（舍入取整）

ARM彙編特色3：條件執行
subgt,addle等，只有在上一條指令執行以後相應標誌位知足條件以後，當前指令纔會執行，經過使用條件執行指令能夠減小分支跳轉。

ARM彙編特色4：多級流水線技術
ARM7處理器（對應架構armv3或armv4）採用3級流水線的馮·諾伊曼結構；而ARM9（對應架構armv4或armv5）用5級流水線的哈佛結構，ARM11（對應架構armv6）爲8級流水線哈佛結構(從arm9開始都採用了哈佛結構)。增長的流水線設計提升了時鐘頻率和並行處理能力。5級流水線可以將每個指令處理分配到5個時鐘週期內，在每個時鐘週期內同時有5個指令在執行。在經常使用的芯片生產工藝下，ARM7通常運行在100MHz左右，而ARM9則至少在200MHz以上.ARM11首先推出350M~500MHz時鐘頻率的內核，目前上升到1GHz時鐘頻率。
參考：https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/81411760

ARM NEON優化技巧總結，參見：
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/81265865
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/81705311

六、ARM和NEON指令集 經常使用指令彙總

ARM指令集：32位，工做在ARM模式下。
Thumb指令集：16位，工做在Thumb模式下。
NEON指令集：以v開頭，基於ARMv7架構的SIMD和向量浮點VFPv3指令集。
ARM算術指令：
add, adc, sub, subs, rsb, mul, udiv等

ARM移位指令：
lsl, lsr, ror，asr等

ARM飽和指令：
ssat, usat,qadd,qsub

ARM邏輯運算指令：
orr，and，orn，eor，

NEON邏輯運算和比較指令：
vand，vorr, vbic, vorn
vbif，bsl，vbit
vmov，vmvn
vceq，vcge，vcgt，vcle，vclt
vtst

NEON移位指令：
vshr，vshl，vqshl，vqrshrun
vsli，vsri

NEON通用算術指令：
vabs，vabd，vneg， vadd，vsub，vqadd，vqsub，vaddl，vaddw，vsubl，vsubw
vaddhn，vsubhn
vhadd，vhsub
vpadd，vpadal
vmax，vmin，vpmax，vpmin

NEON乘法指令：
vmul，vmla，vmls

vext指令：向量提取

vext.8      d2, d0, d1, #3

說明：取d1寄存器中低3位向量做爲高位，d0寄存器的高5位向量做爲低位，構成目標向量。

asr和lsr的區別：

asr  r0， r1, #5 //算術右移，符號位填充左側空出的位
lsr   r0,    r1, #5 //邏輯右移，0填充左側空出的位

vpadd：向量按對加

vceq,vcgt,vcge, vcle,vclt指令:

向量比較，獲取向量中每一個元素的值，並將其與另外一個向量重相應元素或零進行比較。若是條件爲真，則將目標向量中的所有元素設置爲1，不然設置爲0。

vrshr指令：舍入右移 ，能夠實現（a+(1<<(b-1))）>>b的操做。

vaddl和vaddw指令：加法長指令、加法寬指令

vqmovun指令：有無符號操做數，無符號結果

vqmovun.s16     d0,  q0

說明： 將q0中每一個16位有符號向量飽和到d0中每一個8位無符號向量。

七、Arm32位加載數據的兩種格式

1）、vld1加載：

vld1.8 {d0,d1} , [r1], r2

說明： 將r1地址裏面的連續的128bits數據依次賦給d0和d1，而後r1+r2。這裏的.8表示以8bit爲單位。
2）、

vld1.16 {d0[],d1[]}, [r0:16]

說明：這裏d0和d1中的數據相同，將地址r0中取4個16位數據加載到d0和d1中。

八、Arm32位彙編編寫demo

https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/81150083
ARM彙編格式主要有兩種，arm asm彙編格式和gnu asm彙編格式。
gnu asm彙編格式：

.arm
    .text
    .align  4
    .global     name
    .type       %function
name:

     FUNCTION STATEMENT  @註釋行
     /* 多行註釋 */
     //單行註釋，用於.S彙編文件
     bx lr

arm asm彙編格式：

EXPORT |name|
ARM
AREA ||.text||, CODE, READONLY,ALIGN=2
|name| PROC  ;註釋

ENDP
END

九、注意事項

1）標籤名稱不能以數字開始，可是可使用純數字的局部標籤。
2）ld1連續存儲數據時，所用的寄存器必須是連續的。
3）Arm32位下數據在不一樣寄存器之間轉換：
從r寄存器到d寄存器：

vmov        d0, r0, r1
vmov.u32    d0[0], r1

從d寄存器到r寄存器：

vmov        r0, r1, d0
vmov.u32    r1, d0[0]

從標量寄存器d[x]到矢量寄存器d：

vdup.16     d1,  d6[0]
vdup.16     d1, r12

4）Arm32位下替代判斷的命令：
vceq，vbsl，vbit， vbif

5）Arm32下取數據地址問題
arm下默認地址r0加1，是加一個字節，若是r0對應的數據是int類型的，則取idx位置的數據則爲：r0+idx*4

十、彙編優化基本準則

1. C代碼優化
   ** 減小計算量，將重複計算的部分提取出來；
   ** 深刻剖析C代碼的實現原理，更改結構，把能夠合併的代碼進行合併，簡化計算，減小分支判斷。
2. 彙編代碼優化
   ** 精簡指令，大部分arm指令都是單週期指令，儘可能使用較少的指令編寫代碼；
   ** 減小寄存器之間的依賴，充分利用多級流水線，使指令並行執行；
   ** 對於乘法指令，指令週期比較長，儘可能不要當即使用指令計算結果，不然會等待耗時；
   ** 儘可能將數據都存放在neon寄存器中；
   ** 儘可能減小存取數據的次數。

十一、ARM程序調試

下面是最基本的方法：

彙編文件中添加以下宏代碼：

.macro print_m in1=r0, in2=d0
       push {r0-r3, lr}
       vstl.u64       {\in2\()}, [\in1\()]
       mov     r0, \in1
       bl cprintf
       pop {r0-r3, pc}
.endm

C文件中添加cprintf實現代碼：

void cprintf(unsigned char *srcu8)
{
  int i=0;
  char *srcs8 = (char *)srcu8;
  for(i=0; i < 16; i++){
       printf("%d ", srcu8[i])
  }
  for(i=0; i < 16; i++){
      printf("%d ", srcs8[i])
  }
  printf("\n");
}

關於arm寄存器的打印調試方法，參見：
https://blog.csdn.net/SoaringLee_fighting/article/details/80834098

除了上述基本方法之外，能夠藉助RVDS或GDB軟件進行調試。

注意事項：
一、RVDS只能用於ARM32位調試，ARMV8架構不支持RVDS。
二、採用GDB調試的前提是ARM開發板上已經安裝好了GDB，採用GDB進行調試是很方便的。

---

THE END!