Admin
Администратор
Архитектура ARM: Типы данных и регистры
Архитектура ARM (Advanced RISC Machine) является доминирующей в мире мобильных устройств, встраиваемых систем и современных суперкомпьютеров (например, Apple Silicon или серверные решения Graviton). Понимание того, как ARM обрабатывает данные и использует регистры — ключ к эффективному программированию на низком уровне и реверс-инжинирингу.
1. Типы данных в архитектуре ARM
ARM является RISC-архитектурой (Reduced Instruction Set Computer) и использует архитектуру Load/Store. Это означает, что операции обработки данных выполняются только над значениями в регистрах, а не напрямую в памяти.
Основные размеры данных:
В классической 32-битной архитектуре ARM (AArch32) приняты следующие определения:- Byte (Байт): 8 бит.
- Halfword (Полуслово): 16 бит.
- Word (Слово): 32 бита.
- Doubleword (Двойное слово): 64 бита (появилось в более поздних версиях и активно используется в 64-битной архитектуре AArch64).
Особенности:
- Выравнивание (Alignment): Исторически ARM требовал, чтобы данные были выровнены по их естественному размеру (адреса слов должны делиться на 4, полуслов — на 2). Современные ядра поддерживают невыровненный доступ, но он работает медленнее.
- Порядок байтов (Endianness): ARM является Bi-endian, то есть поддерживает как Little-endian (младший байт по младшему адресу), так и Big-endian. На практике почти везде (Android, iOS, Windows) используется Little-endian.
- Знаковость: Поддерживаются как знаковые (signed), так и беззнаковые (unsigned) типы данных. При загрузке байта или полуслова в 32-битный регистр процессор выполняет расширение нулем или знаком.
2. Регистровая модель
Регистры — это сверхбыстрая память внутри процессора. В ARM их количество и назначение зависят от режима работы (32 или 64 бита).
А) Регистры в 32-битной архитектуре (AArch32)
Доступно 16 основных регистров общего назначения, обозначаемых от R0 до R15. Каждый из них имеет размер 32 бита.- R0–R12 (General Purpose): Используются для любых вычислений. Однако, согласно стандарту вызовов (AAPCS):
- R0–R3: Используются для передачи аргументов в функции и возврата результата.
- R4–R11: Используются для хранения локальных переменных функций.
- R13 — Stack Pointer (SP): Указатель стека. Хранит адрес текущей вершины стека в памяти.
- R14 — Link Register (LR): Регистр связи. В него записывается адрес возврата при вызове функции (инструкция BL).
- R15 — Program Counter (PC): Счетчик команд. Указывает на адрес текущей исполняемой инструкции (с учетом конвейера). Изменение PC вручную эквивалентно переходу (Jump).
Специальный регистр:
- CPSR (Current Program Status Register): Содержит флаги состояния (результат предыдущей операции):
- N (Negative) — результат отрицательный.
- Z (Zero) — результат равен нулю.
- C (Carry) — перенос (для беззнаковых чисел).
- V (Overflow) — переполнение (для знаковых чисел).
Б) Регистры в 64-битной архитектуре (AArch64)
В 64-битном режиме архитектура была значительно переработана.- X0–X30: 31 регистр общего назначения (64 бита каждый).
- W0–W30: Нижние 32 бита тех же регистров (используются для совместимости с 32-битными типами данных).
- XZR (Zero Register): Специальный регистр, который всегда равен 0. Запись в него игнорируется.
- SP (Stack Pointer): Отдельный регистр для стека (теперь их может быть несколько для разных уровней исключений).
- PC (Program Counter): В 64-битном режиме к нему нет прямого доступа как к обычному регистру (нельзя сделать MOV X0, PC).
3. Сводная таблица соответствия
| Тип в C/C++ | Размер в ARM | Регистр (32-бит) | Регистр (64-бит) |
|---|---|---|---|
| char | 8 бит | R0 (младшие 8) | W0 (младшие 8) |
| short | 16 бит | R0 (младшие 16) | W0 (младшие 16) |
| int / long | 32 бита | R0 (полный) | W0 (полный) |
| long long / void* | 64 бита | R0 + R1 (пара) | X0 (полный) |
Заключение
Архитектура ARM эффективно сочетает простоту RISC с мощными возможностями обработки данных. Использование фиксированных размеров слов и четко распределенных ролей регистров позволяет достигать высокой энергоэффективности, что и сделало ARM лидером рынка.
Полезные команды для работы в боте:
- Если вам нужно написать код на ассемблере ARM или решить задачу по микропроцессорным системам, используйте мой академический режим: /academic.
- Для выбора более мощной модели (например, OpenAI o3 для сложных вычислений или Claude 4.5 для написания кода) введите /settings.
- Проверить свой остаток запросов можно командой /account.
