一、ARMv8寄存器之通用、状态、特殊寄存器
ARMV8核心寄存器数量是非常大的，为了更好的学习，可以划分为以下几大类：
·通用寄存器。这类寄存器主要是用来暂存数据和参与运算。通过load\store指令操作。
·状态寄存器。AArch64体系结构使用PSTATE寄存器表示当前处理器状态。
·特殊寄存器。有专门的用途，用于控制处理器的行为，或表示CPU的状态。
·系统寄存器。除了以上寄存器，ARMv8体系结构还定义了很多系统寄存器，用来完成对处理器不同功能的配置。对应ARMv7的cp15寄存器。
一、 通用寄存器
- ARMv8提供了31个通用寄存器 R0~R30;
- 在AArch32架构，通用寄存器w0~w30是32bit宽度；
- 在AArch64架构，通用寄存器x0~x30是64bit宽度；
X0-X7 用于参数传递
X9-X15 在子函数中使用这些寄存器时，直接使用即可, 无需save/restore. 在汇编代码中x9-x15出现的频率极低。在子函数中使用这些寄存器时，直接使用即可, 无需save/restore.。在汇编代码中x9-x15出现的频率极低。
X19-X29 在callee子函数中使用这些寄存器时，需要先save这些寄存器，在退出子函数时再resotre。在callee子函数中使用这些寄存器时，需要先save这些寄存器，在退出子函数时再resotre。
X8, X16-X18, X29, X30 这些都是特殊用途的寄存器。
– X8： 用于返回结果
– X16、X17 ：进程内临时寄存器
– X18 ：resrved for ABI
– X29 ：FP（frame pointer register）
– X30 ：LR
在简单讲一下函数的局部变量和临时变量之间的区别：
作用域(Scope)不同: 局部变量(Local variables)是定义在函数内部的变量,它们的作用域仅限于该函数内部。临时变量(Temporary variables)通常是用于存储中间计算结果的变量,它们的作用域更加局限,可能只在某个代码块或表达式内部。
生命周期不同: 局部变量的生命周期与函数的执行周期相同,即在函数调用时创建,在函数返回时销毁。临时变量的生命周期则更短暂,通常仅在表达式或代码块的执行期间存在。
存储位置不同: 局部变量通常存储在函数的栈帧(Stack Frame)中,以便函数调用时能够访问。临时变量通常存储在寄存器或者栈上,以减少内存访问开销。
使用目的不同: 局部变量用于存储函数内部需要持久保存的数据,如参数、返回值、中间计算结果等。临时变量主要用于存储一些中间计算结果,在表达式或代码块结束后可以丢弃。
优化方式不同: 编译器通常会尽量将局部变量存储在寄存器中,以提高访问效率。对于临时变量,编译器则更加倾向于直接使用寄存器,避免不必要的内存访问。
什么是栈帧:
栈帧是函数调用时在内存栈上分配的一块区域,用于存储函数的局部变量和参数等信息。每当一个函数被调用时,CPU 会在内存栈上为该函数创建一个新的栈帧。栈帧通常包含以下几个部分:
返回地址: 当前函数返回时需要跳转的地址,通常是调用函数的下一条指令。返回地址通常是由调用指令自动压入栈的。
函数参数: 传递给当前函数的参数值,它们需要被保存在栈帧中。当函数返回时,这些参数值需要被恢复。
局部变量: 函数内部声明的局部变量,它们的生命周期仅限于函数的执行期间。这些变量需要被保存在栈帧中,以免被其他函数覆盖。
寄存器备份: 在函数调用过程中,需要保存一些重要的寄存器值,以便在返回时恢复。这些寄存器可能包括函数返回地址寄存器、帧指针寄存器等。
动态分配的内存: 函数在执行过程中动态分配的内存空间,需要在栈帧中保存相关信息。这些动态分配的内存会在函数返回时被自动释放。
二：状态寄存器PSTAE
在ARMv7架构中使用程序状态寄存器(Current Program Status Register,CPSR)来表示当前的处理器状态(processor stste),而在ARMv8里使用PSTATE寄存器来表示。下面我们来看一下AArch64中PSTATE各字段所代表的含义。
注意： PSTATE（process state）是一些状态位，一些位仅在aarch32 state下使用、一些位仅在aarch64 state下使用、一些位可以同时在aarch32/aarch64 state下使用；我们在这里仅分析AArch64。
在aarch64中，只可以通过MSR/MRS指令访问特殊寄存器(special-purpose)的方式读写PSTATE中的位。除了这些特殊寄存器中表示的位，PSTTAE的其它位都是不能访问的。
这些特殊的寄存器包含: NZCV、DAIF、CurrentEL、SPSel、PAN、UAO,可以使用MRS/MSR指令，直接读写这些寄存器。
例如我们可以使用MSR 指令直接写入 DAIFSET 或 DAIFCLR 指令操作（注：DAIFSET 和 DAIFCLR 是两个特殊的指令操作,用于设置和清除 DAIF 寄存器中的某些位。)
MSR DAIFSET, #0x2 // 设置 DAIF 寄存器的 I 位(IRQ 屏蔽位)
MSR DAIFCLR, #0x2 // 清除 DAIF 寄存器的 I 位(IRQ 屏蔽位)
上述指令实际上会修改DAIF寄存器的对应位
特殊寄存器 PSTATE 位
我们可以认为这些位其实还是都在PSTATE寄存器中，然后相关的位被抽象到了NZCV,DAIF、CurrentEL、SPSel、PAN、UAO 寄存器中，方便指令访问。
三：特殊寄存器
下面我们来看一下ARMv8中的特殊寄存器。
1. 保存处理状态寄存器
当我们运行一个异常处理程序时，处理器的处理状态会保存到保存处理状态寄存器(Saved Program Status Register, SPSR)里。这个寄存器类似于ARMv7架构中的CPSR，当异常将要发生时，处理器会把PSTATE寄存器的值暂时保存到SPSR里；当异常处理完成并返回时，再把SPSR的值恢复到PSTATE寄存器。
★CurrentEL寄存器
该寄存器表示PSTATE寄存器中的EL字段，其中保存了当前异常等级。使用MRS指令可 以读取当前异常等级。
0: 表示 EL0
1: 表示 EL1
2: 表示 EL2
3: 表示 EL3
★DAIF寄存器该寄存器表示PSTATE寄存器中的｛D, A, I, F｝字段。
★SPSel寄存器
该寄存器表示PSTATE寄存器中的SP字段，用于在SP_EL0和SP_ELn中选择SP寄存器。
★PAN寄存器
PAN寄存器表示PSTATE寄存器中的PAN （Privileged Access Never,特权禁止访问）字段。 可以通过MSR和MRS指令来设置PAN寄存器。当内核态拥有访问用户态内存或者执行用户态程序的能力时，攻击者就可以利用漏洞轻松地执行用户的恶意程序。为了修复这个漏洞， 在ARMV8.1中新增了 PAN特性，防止内核态恶意访问用户态内存。如果内核态需要访问用 户态内存，那么需要主动调用内核提供的接口，例如copy_from_user()或者copy_to_user() 函数。
PAN寄存器的值如下。
0：表示在内核态可以访问用户态内存。
1：表示在内核态访问用户态内存会触发一个访问权限异常。
★UAO寄存器该寄存器表示PSTATE寄存器中的UAO （User Access Override,用户访问覆盖）字段。我 们可以通过MSR和MRS指令设置UAO寄存器。
特权指令:如 LDR、STR 等,可以访问任意内存区域,包括特权保护的区域。
非特权指令:如 LDTR、STTR 等,通常只能访问用户空间的内存区域,受到限制。
当 UAO = 0 时,非特权指令(如 LDTR、STTR)的行为与特权指令(如 LDR、STR)是不同的,受到内存访问权限的限制。
当 UAO = 1 时,非特权指令(如 LDTR、STTR)的行为与特权指令(如 LDR、STR)是一致的,即"用户访问被覆盖"。也就是说,即使是在用户模式(EL0)下执行非特权指令,也能够访问特权保护的内存区域,就像在特权模式(EL1/EL2)下执行特权指令一样。
使用场景:UAO = 1 的机制通常用于支持一些特殊的安全需求,例如在特权模式下执行用户空间代码、处理敏感的内存区域等。
★NZCV寄存器
该寄存器表示PSTATE寄存器中的｛N, Z, C, V｝字段。
2. 零寄存器
ARMv8体系结构提供两个零寄存器(zero register),这些寄存器的内容全是0,可以用作源寄存器，也可以用作目标寄存器。WZR是32位的零寄存器，XZR是64位的零寄存器。
3. PC寄存器
PC寄存器(Program Counter)通常用来指向当前运行指令的下一条指令的地址，用于控制程序中指令的运行顺序，但是我们不能通过指令来直接访问它。
PC 寄存器的主要作用包括:
保存当前指令的地址:PC 寄存器会始终保存当前正在执行的指令的地址。每当执行一条指令,PC 寄存器的值都会自动加 4(或加 2,取决于指令宽度)以指向下一条要执行的指令。
支持分支跳转:当执行一条分支指令(如 B、BL 等)时,CPU 会将 PC 寄存器的值更新为分支目标地址,从而实现程序控制流的转移。
参与异常处理:当发生异常(如中断、系统调用等)时,硬件会自动保存当前 PC 的值到 ELR 寄存器,以便于事后恢复执行。
4. SP寄存器
ARMv8体系结构支持4个异常等级，每一个异常等级都有一个专门的SP(Stack Pointer)寄存器SP_ELn, 如处理器运行在ELI时选择SP_EL1寄存器作为SP寄存器。
SP_EL0： ELO下的SP寄存器。
SP_EL1： ELI下的SP寄存器。
SP_EL2： EL2下的SP寄存器。
SP_EL3： EL3下的SP寄存器。
当处理器运行在比ELO高的异常等级时，处理器可以访问如下寄存器。当前异常等级对应的SP寄存器SP_ELs
ELO对应的SP寄存器SP_ELO可以当作一个临时寄存器，如Linux内核使用该寄存器 存放进程中task_struct数据结构的指针。
注意：当处理器运行在EL0时，它只能访问SP_EL0,而不能访问其他高级的SP寄存器。
SP 寄存器的主要作用包括:管理程序栈:SP 寄存器存放着当前程序栈的顶部地址。当执行压栈和出栈操作时,SP 寄存器的值会相应地增加或减少。这样可以确保程序栈的正确使用。
支持函数调用:在函数调用过程中,CPU 会自动保存返回地址、函数参数、局部变量等信息到程序栈中。SP 寄存器的值会随之动态变化,以管理这些栈帧。
参与中断/异常处理:当发生中断或异常时,CPU 会自动保存当前上下文(包括 SP 寄存器的值)到栈中,并切换到特定的异常处理模式。这样可以确保异常返回后能够恢复程序的执行状态。
5. ELR寄存器
ELR(Exception Link Register) 寄存器存放了异常返回的地址。
ELR寄存器的主要作用包括：
保存异常发生前的程序计数器(PC)值:当处理器进入异常模式(如中断、系统调用等)时,ELR 寄存器会自动保存异常发生前的 PC 值。这样在异常处理完成后,就可以从 ELR 中恢复 PC 值,继续执行异常前的指令序列。
支持异常处理的返回:在异常处理程序中,可以使用 ERET 指令从异常返回。ERET 指令会从 ELR 寄存器中恢复 PC 值,从而实现对异常的正确返回。