Пошаговое руководство по возврату результата из функции в Ассемблере ARM64

Работа с данными и управление значениями в ассемблере на платформе ARM64 может показаться сложной задачей. Однако, разобравшись с основными принципами и инструментами, такими как load и store инструкции, можно существенно упростить процесс вычисления и передачи данных. В данной статье мы рассмотрим, как управлять регистрами, обрабатывать значения и работать с памятью, чтобы успешно передавать результаты вычислений.

Для начала важно понять, какие регистры используются в ARM64 и как они хранят данные. Например, регистры могут содержать адреса памяти, значения переменных и параметры, переданные функции. В процессе работы с ассемблером, мы часто встречаем такие термины, как загрузка данных, регистрация переменных и управление стеком. Эти понятия помогут лучше разобраться в том, как структурировать и оптимизировать код.

На конкретных примерах, таких как hello_metanit и natural_generator, мы покажем, как вычисления и передача данных могут быть реализованы на практике. Важно учитывать, что работа с кодом включает понимание структуры и функций инструкций, а также использование правильных инструментов для компиляции и отладки. Рассмотрим, как с помощью power2asm и intrax можно эффективно управлять значениями и адресами в вашей программе.

Кроме того, разберем, как использовать ascii строки и файлы данных для хранения и передачи информации. Рассмотрим процесс регистрации и загрузки данных в память, а также способы управления длиной и шириной строк и переменных. Это позволит не только улучшить производительность кода, но и обеспечить его корректное выполнение на различных платформах, включая macOS.

Посмотрим, как аргументы и переменные передаются в функции, и какие инструменты помогают в этом. Используем примеры кода, чтобы показать, как определяются и обрабатываются переменные, как они хранятся в памяти и как осуществляется взаимодействие с системной памятью. Это поможет глубже понять принципы работы с ассемблером и научиться эффективно использовать его возможности.

Знание этих принципов и инструментов позволяет писать более эффективный и оптимизированный код на ассемблере для ARM64. Давайте вместе разберем все тонкости и нюансы, чтобы вы смогли лучше понять, как работает ваш код и как улучшить его производительность.

Возврат значения в регистрах

Посмотрим на следующий пример кода, в котором функция power2asm вычисляет возведение числа в степень:

.text
.global power2asm
power2asm:
mov x1, x0
mul x0, x1, x1
ret

В этом фрагменте кода, результатом выполнения функции power2asm является квадрат числа, переданного в регистр x0. После выполнения команды mul, квадрат числа также сохраняется в регистре x0, откуда он может быть прочитан вызывающей программой.

.text
.global hello_metanit
hello_metanit:
ldr x0, =hello_str
bl printf
ret
.data
hello_str:
.ascii "Hello, Metanit!\0"

Регистрация возвращаемого значения в регистре x0 позволяет легко манипулировать данными при вызове и возврате функций. Важно помнить, что помимо регистра x0, для передачи данных можно использовать и другие регистры, что значительно расширяет возможности программирования на ассемблере ARM64.

Однако, не всегда результаты вычислений помещаются в регистры. В некоторых случаях используется стек для хранения данных. Например, при работе с большими структурами или массивами, когда длина данных превышает возможности одного регистра. В таком случае, данные загружаются и выгружаются из стека с помощью команд push и pop.

Таким образом, использование регистров для возврата значений является ключевым аспектом программирования на ассемблере ARM64. Это позволяет создавать более эффективный и быстрый код, минимизируя задержки при вызове и возврате функций.

Пример возврата одного значения

Для начала определим простейший пример функции, которая выполняет вычисление и возвращает результат. В нашем случае это будет функция, которая принимает два аргумента, складывает их и возвращает сумму. Вызов функции осуществляется с использованием стандартного соглашения о вызове, в котором значения передаются через регистры.

Рассмотрим следующий пример кода:

.section .data
hello_metanit: .ascii "Hello, Metanit!\n"
.section .text
.global _start
_start:
mov x0, 5          // Первый аргумент
mov x1, 3          // Второй аргумент
bl add_numbers     // Вызов функции add_numbers
b exit             // Переход к завершению программы
add_numbers:
add x0, x0, x1     // Сложение аргументов
ret                // Возврат из функции
exit:
mov x8, 93         // Системный вызов exit (macOS)
svc 0              // Вызов системной функции

В этой программе функция add_numbers принимает два значения через регистры x0 и x1, складывает их и результат сохраняет в x0. Возврат происходит с помощью инструкции ret, которая передает управление обратно вызывающей функции, в данном случае метке _start. Конечный результат будет находиться в регистре x0, который используется для передачи возвращаемого значения.

Для понимания механизма возврата значений также важно учитывать работу стека. В более сложных функциях, где есть необходимость сохранения и восстановления контекста, применяются инструкции push и pop для управления стеком. Однако, в данном примере таких операций нет, так как мы работаем с простыми арифметическими операциями.

.section .data
hello_metanit: .ascii "Hello, Metanit!\n"
.section .text
.global _start
_start:
ldr x0, =hello_metanit  // Загрузка адреса строки
mov x0, 5               // Первый аргумент
mov x1, 3               // Второй аргумент
bl add_numbers          // Вызов функции add_numbers
b exit                  // Переход к завершению программы
add_numbers:
add x0, x0, x1          // Сложение аргументов
ret                     // Возврат из функции
exit:
mov x8, 93              // Системный вызов exit (macOS)
svc 0                   // Вызов системной функции

Этот пример демонстрирует основные принципы работы с функциями и возвращаемыми значениями в ассемблере ARM64, показывая, как можно организовать вычисления и передачу данных между функциями.

Использование специальных регистров для результата

В ARM64 специальные регистры используются для хранения результатов вызова функций. Например, при вызове функции, результат которой является числом, результат обычно помещается в один из регистров x0 — x7. Это стандартный способ передачи значений между функциями. Мы посмотрим на этот механизм на конкретном примере.

.section .data
hello_metanit:
.ascii "hello, world\n"
.len = . - hello_metanit
.section .text
.global _start
_start:
ldr x0, =hello_metanit       // Указатель на строку
ldr x1, =hello_metanit.len   // Длина строки
mov x8, #64                  // Номер системного вызова (sys_write)
svc #0                       // Вызов системной функции
mov x8, #93                  // Номер системного вызова (exit)
svc #0                       // Выйти из программы

В этом примере мы используем регистр x0 для хранения указателя на строку, а регистр x1 для хранения длины строки. Эти значения затем передаются в системный вызов sys_write через регистры. Обратите внимание, как в коде происходит использование регистров для передачи данных.

Кроме того, можно использовать регистры NEON для хранения векторов и выполнения операций с плавающей запятой. Это особенно полезно в задачах, требующих высокой производительности и сложных вычислений. Например, при работе с графикой или научными расчетами.

Следующая строчка кода демонстрирует использование регистра v0 для хранения результата операции сложения двух векторов:

mov v0.16b, v1.16b      // Перенос значений из регистра v1 в v0
add v0.4s, v0.4s, v2.4s // Сложение векторов, результат в v0

Таким образом, использование специальных регистров для хранения и передачи результатов позволяет оптимизировать выполнение программ и эффективно использовать ресурсы процессора. Практика показывает, что это один из ключевых аспектов написания эффективного кода на Ассемблере ARM64.

Возврат двух переменных разного типа

Для начала нам нужно понять, где хранятся переменные во время выполнения программы. В ARM64 есть несколько регистров, которые используются для передачи и возврата значений. Однако, когда нужно вернуть сразу два значения, особенно разного типа, этого пространства может не хватить, и нам нужно будет использовать стек.

Давайте посмотрим на следующий пример кода:

.section .data
input:   .ascii "a"
output:  .word 10
.section .text
.global main
main:
// Вызов функции, которая возвращает два значения
bl two_values
// Получение значений из регистров
mov w0, w1   // Получаем целое число
mov w1, w2   // Получаем символ
// Конец программы
mov w8, 93   // Системный вызов для завершения программы
svc 0
two_values:
// Сохраняем текущий стек
stp x29, x30, [sp, #-16]!
mov x29, sp
// Передаем значения в регистры
ldr w1, =10      // Целое число
ldrb w2, input   // Символ
// Восстанавливаем стек
ldp x29, x30, [sp], #16
ret

В этом примере происходит следующее:

• Вначале создается секция .data, где определяются переменные input и output.
• Затем создается секция .text, где находится основной код программы. В функции main происходит вызов функции two_values, которая возвращает два значения. Эти значения сохраняются в регистрах w1 и w2.
• В функции two_values мы сохраняем текущий стек, чтобы потом его восстановить. В регистры w1 и w2 передаются значения из переменных input и output.
• После этого стек восстанавливается и происходит возврат из функции.

Важно помнить, что если функция возвращает два значения разного типа, они могут быть переданы через регистры, если позволяет их количество, либо через стек. В данном примере использованы регистры, поскольку их достаточно для передачи двух значений.

Такой подход может быть полезен в ситуациях, когда нужно вернуть несколько значений из подпрограммы, не используя глобальные переменные, что позволяет сделать код более чистым и предсказуемым.

Для более сложных случаев, когда необходимо передать больше данных, можно использовать стек или выделить память в куче. В следующих разделах мы подробнее рассмотрим эти методы.

Использование нескольких регистров

При разработке на языке ассемблера ARM64 иногда возникает необходимость работать с несколькими регистрами для получения и обработки данных. Это может быть полезно для выполнения сложных вычислений, манипуляций с данными и оптимизации кода. В данном разделе мы рассмотрим, как эффективно использовать несколько регистров для достижения этих целей.

Для лучшего понимания работы с несколькими регистрами, рассмотрим основные моменты, которые включают использование регистров в различных контекстах, таких как работа с переменными, стеком, а также выполнение арифметических и логических операций.

Регистрация значений и работа с переменными

• При работе с переменными часто требуется хранить данные в нескольких регистрах. Это позволяет быстро выполнять операции без обращения к памяти.
• Например, вы можете загрузить данные из памяти в регистры с помощью инструкции load и затем выполнить необходимые вычисления.
• После завершения вычислений, результаты могут быть сохранены обратно в память или переданы другим функциям.

Использование NEON для параллельных вычислений

• Технология NEON позволяет выполнять SIMD (Single Instruction, Multiple Data) операции, что особенно полезно для обработки массивов данных.
• Например, с помощью NEON можно одновременно обрабатывать несколько элементов массива, что значительно ускоряет выполнение программы.
• Для загрузки данных в NEON регистры можно использовать инструкции vld1.32 и vld1.64.

Работа со стеком

• При вызове функции необходимо сохранить контекст, чтобы можно было вернуться к исходному состоянию после выполнения функции. Для этого используются инструкции push и pop, которые сохраняют и восстанавливают значения регистров из стека.
• Например, перед вызовом функции hello_metanit можно сохранить значения регистров с помощью push и восстановить их после завершения функции с помощью pop.

Пример использования нескольких регистров

Рассмотрим следующий пример, где происходит вычисление суммы двух чисел и сохранение результата в памяти:

.data
value1: .word 5
value2: .word 10
result: .word 0
.text
.global _start
_start:
ldr w0, =value1       // загрузка первого значения
ldr w1, [w0]
ldr w0, =value2       // загрузка второго значения
ldr w2, [w0]
add w3, w1, w2        // сложение значений
ldr w0, =result       // указатель на результат
str w3, [w0]          // сохранение результата

В данном примере значения загружаются из памяти в регистры w1 и w2, производится их сложение, а результат сохраняется в памяти по адресу переменной result.

Использование нескольких регистров позволяет более эффективно управлять данными и выполнять вычисления, что является важной практикой при написании оптимизированного кода на ассемблере ARM64.

Пример возврата целого и дробного числа

Начнем с определения секции .data, в которой будут храниться строки и другие данные:

section .data
hello db "Результат вычисления:", 0

Теперь перейдем к секции .text, где будет основная часть программы:

section .text
global _start
_start:
// Вызов функции для получения целого числа
bl get_integer_result
mov x1, x0
// Вызов функции для получения дробного числа
bl get_float_result
mov x2, s0
mov x0, 1
ldr x1, =hello
bl puts
mov x0, 1
mov x1, x1
bl printf
mov x0, 1
mov x1, x2
bl printf
// Завершение программы
mov x0, 0
mov x8, 93
svc 0
// Функция для получения целого числа
get_integer_result:
// Здесь происходит вычисление целого числа
mov x0, 42
ret
// Функция для получения дробного числа
get_float_result:
// Используем NEON инструкции для работы с дробными числами
fmov s0, 3.14
ret

Вызов и возврат значений в данном примере демонстрируют основные принципы работы с регистрами и памятью в ассемблере ARM64. Эта практика важна для понимания более сложных задач и разработки эффективного низкоуровневого кода.

Сохранение регистров

Когда программа вызывает подпрограмму, регистры, используемые в основной программе, могут быть перезаписаны. Однако, для корректного выполнения программы важно сохранить их состояния. Рассмотрим, как это сделать с помощью инструкций и специальных областей памяти.

• Использование стека
• Работа с инструкциями push и pop
• Практические примеры

Использование стека

Стек представляет собой область памяти, которая используется для временного хранения данных, таких как значения регистров. Сохранение регистров на стеке позволяет избежать потери данных при вызове подпрограмм. В этом случае мы используем инструкцию push для записи значений регистров в стек и pop для их извлечения.

Работа с инструкциями push и pop

Инструкция push сохраняет значения регистров в стеке. Например, если мы хотим сохранить значение регистра x0, мы используем следующую команду:

str x0, [sp, #-16]!

Эта инструкция записывает значение регистра x0 по адресу, который указывает стековый указатель sp, и затем обновляет указатель стека.

Для восстановления значения регистра x0 используется инструкция pop:

ldr x0, [sp], #16

Эта команда загружает значение из стека обратно в регистр x0 и обновляет указатель стека.

Практические примеры

Рассмотрим пример на ассемблере, в котором функция сохраняет регистры и восстанавливает их после выполнения подпрограммы. Пример будет иллюстрировать сохранение двух регистров, x0 и x1, при вызове подпрограммы hello_metanit.

.section .data
hello: .asciz "Hello, Metanit!"
.section .text
.global _start
_start:
// Сохранение регистров
str x0, [sp, #-16]!
str x1, [sp, #-16]!
// Вызов подпрограммы
bl hello_metanit
// Восстановление регистров
ldr x1, [sp], #16
ldr x0, [sp], #16
// Завершение программы
mov x8, #93 // syscall exit
mov x0, #0 // exit code 0
svc #0
hello_metanit:
// Код подпрограммы
adrp x0, hello
add x0, x0, :lo12:hello
bl printf // Вызов функции printf
ret

В этом примере значения регистров x0 и x1 сохраняются в стеке перед вызовом подпрограммы hello_metanit. После выполнения подпрограммы значения регистров восстанавливаются из стека.

Использование стека для сохранения и восстановления регистров является важной частью написания надежного кода на ассемблере. Это позволяет избежать потери данных и обеспечивает корректное выполнение программы независимо от количества и сложности вызываемых подпрограмм.

Необходимость сохранения состояния

Процесс сохранения состояния включает в себя сохранение значений регистров, которые используются функцией для своих вычислений, на стеке. Это предотвращает их перезапись другими частями программы и позволяет функции работать независимо от внешнего контекста. Кроме того, возвращаемое значение функции также сохраняется в определенном регистре, который специфичен для ARM64 и зависит от типа возвращаемого значения.

Видео:

01. Основные инструкции ассемблера. Инструкция mov.