阅读 AAPCS 笔记 —— 从寄存器到函数调用的 Arm 规范

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AAPCS简介

AAPCS（Procedure Call Standard for Arm Architecture）,Arm架构下的调用标准，用于描述汇编语言与C代码交互时的行为规范。这里提到的PCS，本质是Arm 架构 ABI（Application Binary Interface）的核心组成。如果目光仅放到Arm-M 系列MCU搭配C语言的开发的话，PCS几乎就是ABI的全部内容。
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当前最新的aapcs32

延伸内容

一般来说，每个架构都有自己的PCS。有的时候一个架构可能会有多种调用约定，比如x86 (32位)曾经有cdecl、stdcall、fastcall、pascal 等多种调用约定；而x86-64 (64位)也有System V ABI（Linux、macOS）和Microsoft x64 Calling Convention（Windows）。由于Arm公司的强势与统一，Arm早早定义了全套标准的AAPCS，因此这对开发者更加友好。
C++的ABI兼容是另一个问题，需要单独讨论了。

AAPCS内容

以2025Q4的aapcs32 为例，先看目录，大致看看里面都包含了什么。

Contents 
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Contents
1 Preamble 2
1.1 Abstract 2
1.2 Keywords 2
1.3 Latest release and defects report 2
1.4 Licence 3
1.5 About the license 3
1.6 Contributions 3
1.7 Trademark notice 3
1.8 Copyright 3
2 About This Document 6
2.1 Change Control 6
2.1.1 Current Status and Anticipated Changes 6
2.1.2 Change History 6
2.2 References 8
2.3 Terms and Abbreviations 8
2.4 Acknowledgements 10
3 Scope 11
4 Introduction 12
4.1 Design Goals 12
4.2 Conformance 12
5 Data Types and Alignment 13
5.1 Fundamental Data Types 13
5.1.1 Half-precision Floating Point 13
5.1.2 Containerized Vectors 14
5.2 Endianness and Byte Ordering 14
5.3 Composite Types 15
5.3.1 Aggregates 15
5.3.2 Unions 15
5.3.3 Arrays 15
5.3.4 Bit-fields 15
5.3.5 Homogeneous Aggregates 16
6 The Base Procedure Call Standard 17
6.1 Machine Registers 17
6.1.1 Core registers 17
6.1.2 Co-processor Registers 19
6.2 Processes, Memory and the Stack 19
6.2.1 The Stack 20
6.3 Subroutine Calls 22
6.3.1 Use of IP by the linker 22
6.4 Result Return 23
6.5 Parameter Passing 23
6.6 Interworking 25
7 The Standard Variants 27
7.1 VFP and SIMD vector Register Arguments 27
7.1.1 Mapping between registers and memory format 27
7.1.2 Procedure Calling 27
7.2 Arm Alternative Format Half-precision Floating Point values 28
7.3 Read-Write Position Independence (RWPI) 28
7.4 Variant Compatibility 28
7.4.1 VFP and Base Standard Compatibility 28
7.4.2 RWPI and Base Standard Compatibility 29
7.4.3 VFP and RWPI Standard Compatibility 29
7.4.4 Half-precision Format Compatibility 29
8 Arm C and C++ Language Mappings 30
8.1 Data Types 30
8.1.1 Arithmetic Types 30
8.1.2 Pointer Types 32
8.1.3 Enumerated Types 32
8.1.4 Additional Types 33
8.1.5 Volatile Data Types 33
8.1.6 Structure, Union and Class Layout 33
8.1.7 Bit-fields 33
8.2 Argument Passing Conventions 37
9 APPENDIX: Support for Advanced SIMD Extensions and MVE 38
9.1 Introduction 38
9.2 SIMD vector data types 38
9.2.1 C++ Mangling 40
跳过不感兴趣的部分，不难发现： - 第5章主要描述了数据类型与字节序之类的东西。 - 第6章则主要描述了调用约定，寄存器、参数和返回值之类的。 - 第7章则是一些浮点数与SIMD的东西。 - 第8章是描述C/C++ 语言是怎么映射到底层的手册。

数据类型与对齐

基础数据类型

关于基础数据类型，主要的内容就是

像整形、浮点型、指针这些都算比较常见的概念了，除此之外文档下面还单独提了一嘴半精度浮点数和容器化向量。
Arm架构支持三种半精度浮点数，IEEE754-2008、Arm替代格式、脑浮点数。前两种格式是互斥的，AAPCS的基础格式是IEEE754-2008，然后在调用过程中Arm替代格式也是允许的。
容器化向量的部分有点晦涩，跳过了。

字节序与字节顺序

这部分描述是这样的

本质就是系统寻址的最小单元是字节，但是数据单元可能是由多个字节组成的，这样在表达的时候就会需要规则来约束一下，多个字节组成的数据哪边是高位哪边是低位。

复合数据类型

复合数据类型是一个或者多个基本数据类型组成的集合，而在过程调用中复合数据类型是被认为一个整体。复合类型可能包括：Aggregates（类似struct，成员在内存中顺序排列）、union（成员在内存中重叠排列）、array（成员在内存中重复排列）。
并且，这些定义是递归的；也就是说，每种类型都可以包含一个复合类型作为其成员。

  • 对于复合变量成员的成员对齐，是指应用了任意语言修饰符之后的对齐方式。
  • 对于复合变量成员的自然对齐，是指顶层成员的对齐方式的最大值，也就是对齐调整之前的值。

Aggregates

对于Aggregates，对齐方式应该为对齐度最高的组件的对齐方式。Aggregates实际的大小应该是其对齐方式的最小倍数，该倍数足以容纳其所有成员，前提是这些成员按照这些规则进行布局

Unions

Unions的对齐方式应为其对齐程度最高的成员的对齐方式。联合体的大小应为其对齐方式的最小倍数，该倍数足以容纳其最大的成员。

Arrays

Arrays的对齐方式应为其基类型的对齐方式。数组的大小应为其基类型的大小乘以数组中元素的数量。

Bit-fields

聚合体中作为基本数据类型的成员可以细分为位域；如果此类成员存在未使用的部分，且足以使后续成员以其自然对齐方式开始，则后续成员可以使用未分配的部分。为了计算聚合的对齐方式，成员的类型应为位域所基于的基本数据类型。聚合中位域的布局由相应的语言绑定定义

同构聚合

同构聚合是一种复合类型，其中构成该类型的所有基本数据类型都相同。同构性测试在数据布局完成后进行，并且不考虑访问控制或其他源语言限制。
如果由容器化向量类型组成的聚合的所有成员大小相同，即使容器化成员的内部格式不同，该聚合也被视为同构的。例如，一个包含 8 字节向量和一个 4 个半字向量的结构满足同构聚合的要求。
同构聚合具有一个基本类型，它是每个元素的基本数据类型。总大小是基本类型的大小乘以元素数量；其对齐方式与基本类型的对齐方式相同。

comment

这个部分其实是关于数据和内存的部分，倒是没有发现什么特别需要注意的内容。

基础过程调用标准

寄存器

寄存器又分为核心寄存器与协处理寄存器。

核心寄存器

原始的说法是这样的

有16个32位寄存器r0 - r15，这些寄存器对于汇编是不区分大小写的，但是特定角色的寄存器使用大写的。除了这16个，还有一个状态寄存器CPSR。
对于纯的ASM代码来说，直接操作寄存器就可以，比如像R0-R8 可能地位都是平等的，没有什么特别的。但是一旦涉及到C与ASM的混合编程，就需要一些约定来实现互相的约定与识别。怎么来互联互通，那就是这个core register的用法，其实这里也是我找到这篇文档来阅读的动机了。
逐个过一下：

  • R15（PC）：这个是非常核心的寄存器了，它指示了当前程序运行到哪个指令。
  • R14（LR）：当前调用结束时，应该返回到哪里继续执行。
  • R13（SP）：栈指针，指示当前栈的使用状态
  • R12（IP）：过程内调用临时寄存器，用于远距离寻址与编译器临时使用。
  • R4-R11 ：寄存器，调用后需要恢复原样（R4-R8, R10, R11（v1-v5, v7-v8）：调用后必须保持原样。R9 为 platform-specific，当被定义为 v6 时才需保存）
  • R0-R3 ： 寄存器，传递参数与返回值

对于一个典型的调用过程，存在调用方caller 与 被调用方callee。

  • caller 在调用 callee 之前，会将callee 所需要的参数放置到R0-R3（如果参数超过了R0到R3的范围比如传8个参数，那前四个放R0到R3，后面的放栈里），然后LR 填caller 自己（BL的下一条指令），PC 填 callee（类似 BL callee）这样程序的控制权就转移给callee了。
  • callee进入后，它可以按照约定的方式获取到自己所需的参数（R0-R3、栈），然后开展自己所需要的计算或者业务逻辑。如果在callee的业务中需要使用额外的寄存器，callee可以使用其他的寄存器，但是需要保证（R4-R11，SP）的数据被记录下来，在返回caller的时候，要保持原样。所以我们看汇编源码的时候，很多的汇编函数进来就把（R4-R11，SP）push到栈里，然后结束逻辑之后pop回原位就是这个道理。
  • callee在做好现场保存后可以自由的使用R0-R11，SP来完成自己的业务，当运算结束现场也恢复后，通常是要给一个返回值的，而这个返回值一般是放到R0、R1里的。和参数传递类似，返回值传递也会有返回值超过R0、R1的场景，比如说返回值就是一个很大的数据结构，这种情况下R0、R1放不下，SP要保持现场没法往stack里塞，实际是怎么实施的呢？实际中这样的情况是由caller在调用callee之前分配出一块内存，然后将地址放到R0里，callee执行完将result填充一下就可以了。
  • callee完成所有的一切，结束生命周期时，只要设置一下PC = LR，那程序控制权又转给caller了

从典型流程里不难看出，16个寄存器基本上都很忙碌，大家各司其职数据进进出出。但是IP好像和别人都不一样，它不涉及调用的参数传递、返回值传递，也不像PC、LR、SP有单独的职责，那IP是干啥的呢？
IP 的职责有几种：

  • 远距离调用，Arm 的BL指令是有范围的，而超出范围的远距离寻址要依靠寄存器间接寻址。而其它寄存器各司其职都是没法用的，这个时候就可以用IP。
  • 有的编译器会在函数入口做栈溢出检查，比如说，我知道callee中间会用100K stack，那我函数进来的时候就可以比较一下，SP - 100K < stack_limit ? ,这样不就可以知道是不是栈溢出了吗。那这个时候又出现了，其他寄存器各司其职，只有IP无牵无挂，那就用IP来。
  • 总的来说就是，IP是没有职责的草稿纸，谁想用就用，但是也没有任何保证。

另外值得一提的是，R9 的定义是platform-specific的，只有被定为 v6 时才需保存。R4-R8、R10、R11、SP则是无条件保存。

CPSR也有一些自己的规则，这里跳过了。

上面提到的，如果参数或者返回值大于标准流程寄存器所表示的范围，可能会使用栈来传递参数，那么一个64 位的基础数据单元，算不算超过范围呢。
按照AAPCS的说法，对于超过32位的基础数据单元，如果是64位的也就是双字，可以使用两个连续寄存器，比如R0、R1或者R2、R3来传递，可以用一条单独的LDM从内存里取到数据。
对于128位的基础数据单元，也就是containerized vector，可以用4个连续的寄存器来传递，也是一条单独的LDM从内存load。

协处理器寄存器

VFP-v2协处理器有32个单精度寄存器，s0-s31，也可以作为16个双精度寄存器d0-d15访问（其中d0与s0、s1重叠；d1与s2、s3重叠；依此类推）。而其他的实现可能会增加更多的寄存器。比如VFP-v3 增加了16个双精度寄存器d16-d31，但是没有额外的单精度寄存器对应。
高级SIMD扩展和M型向量扩展 (MVE) 使用VFP寄存器集。高级SIMD扩展使用双精度寄存器表示64位向量，并进一步定义四字寄存器（q0与d0、d1重叠；q1与d2、d3重叠；依此类推）用于128位向量。MVE在相同的四字寄存器中使用128位向量。寄存器s16-s31（d8-d15, q4-q7）必须在子程序调用之间保持不变；寄存器s0-s15（d0-d7, q0-q3）无需保持不变（并且可以用于传递参数或在标准过程调用变体中返回结果）。寄存器 d16-d31（q8-q15），如果存在，也无需保持不变。FPSCR和VPR寄存器是唯一可能被符合规范的代码访问的状态寄存器。FPSCR和VPR又有各自的特点，但是跳过这里了。

过程、内存与栈

AAPCS适用于单个执行线程或进程（以下称为进程）。进程具有由底层机器寄存器和其可访问内存内容定义的程序状态。进程在执行过程中可访问的内存（而不会导致运行时错误）可能会有所变化。
一般，进程可以访问五种内存：

  • 代码段，可读但不需要可写
  • 只读静态段，只读
  • 读写静态段，读写
  • 堆
  • 栈

读写静态段，又可被细分为已初始化、零初始化、未初始化。除了栈之外，其他的段都不要求内存单一连续。一个进程必须始终拥有一些代码和一个栈，但是其他类型的内存并非强制的。堆用于分配动态内存，而程序只应该执行代码段中的指令。

栈

stack是一个连续的内存区域，可以用来存储局部变量以及做调用的参数传递。stack是地址递减的，当前使用状态由SP（r13）来表示。通常来说，base 与 limit是用来描述stack的范围，一些时候limit是固定的，也有时候limit可以被动态调整。堆栈的维护规则包括通用规则与公共接口特定规则。
通用规则：

  • Stack-limit ≤ SP ≤ stack-base
  • SP mod 4 = 0
  • 进程只在[SP, stack base - 1] 范围存储数据

类似

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ldmxx reg, {..., sp, ...} // reg != sp

在遇到中断的时候，就是有可能违反第三条原则的。比如说SP被更改后中断进来，中断进来第一件事就是压栈保存现场，但是这个时候SP就是飞的，压栈就有可能压到别的位置。
公共接口规则：

  • SP mod 8 = 0
    所谓公共接口规则，就是在模块间边界。比如一个.o 暴露给外部可调用的符号。函数内部调用（inline、static）不算。为了更好的兼容性，公共接口要求更严格的对齐。任何时候SP都应该是4字节对齐的，也就是说栈只能4个字节4个字节的用。但是当进程调用的时候，需要把SP做成8字节对齐的。
    实操的时候，尽量把一切按照严格的方法来。比如说，如果你要自己维护一个内存池，那别人从你这里分配内存的时候，你返回的就不能是按照4字节对齐来。
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    struct Foo {
        double a;   // 需要 8 字节对齐
        int b;
    };
    struct Foo *f = my_malloc(sizeof(struct Foo));
    f->a = 3.14;
    // 如果 my_malloc 返回 0x1004，a 的 offset = 0，但 0x1004 % 8 != 0 -> fault。因为f->a 可能用了STRD，而STRD无条件要求地址与传输大小对齐。
    关于栈探测，是为了防止悄悄爆栈所以在申请大的stack空间时，先逐页读一下，比如说应用申请1M的stack，那就拆成4K的步长，依次步进读一个字节，这样就可以避免静默的溢出。
    关于FP，也就是Frame Pointer，是用于调试和回溯的工具。当你想知道当前的程序是怎么一层层调进来的时候，FP可以帮助到你。每层调用在栈上放一个Frame Record（2个word），分别保存LR与前一个FP，这样就形成了一个调用链，而当前一个FP为0，调用链结束。

子调用

Arm 和 Thumb指令集都有一个BL指令，它就是将当前的BL的下一条指令放进LR，将callee放进PC。如果BL指令是Thumb的，那LR的首位将被置为1，Arm则为0.

链接器使用IP

Arm 和 Thumb的BL均无法实现完整的32位寻址，因此需要linker在caller 和 callee之间插入一个veneer。而插入的veneer需要保留除IP（r12）和条件码之外的所有寄存器内容。

返回值

返回值返回的方式取决于返回值的类型。

  • 半精度浮点返回值（16位），会被返回到r0的LSB
  • 小于4字节的基础数据类型会被返回到R0（零扩展或者符号扩展到一个字）
  • 刚好4字节的基础数据类型会被返回到R0
  • 双字也就是8字节的基础数据类型会被返回到R0与R1
  • 128位也就是16字节的基础数据类型会被返回到R0到R3
  • 不超过4字节的复合数据类型会返回到R0，其格式如该结果存储在字对齐的地址然后通过LDR读取到R0一致。R0中其它位的值为未指定的
  • 大于4字节的复合数据类型，或者其大小无法由caller、callee静态确定的类型，将在内存中做返回值传递。该内存作为一个额外参数在调用时传递，并由callee在调用过程中修改。

参数传递

基本标准规定了在核心寄存器（r0-r3）和堆栈上传递参数。对于只接受少量参数的子程序，仅使用寄存器，从而大大减少调用开销。
参数传递被定义为一个两级的概念模型：

  • 将源语言的参数映射到机器类型
  • 将机器类型整理成最终的参数列表
    从源语言到机器类型的映射对于每种语言都是固定的，并且是单独描述的。最终的结果将会是一个有序的参数列表。
    后面有一些非常细节的参数处理过程，跳过了。

comment

这一章节其实是比较核心的内容，对典型场景的行为模式做了规范。

Ending

AAPCS 整体上还是比较底层视角的描述，有很多的细节是应用开发者所无需了解的。但是，尤其是在深度的问题排查时，来自AAPCS的一些说明可以帮助我们更好的理解汇编源码。小册子本身也不长，读完至少能看懂反汇编里的出入栈、参数传递、返回值的处理。