4.1 Az A64 regiszterkészlet áttekintése

4.1.1 Miért kell külön megérteni a regisztereket?

Egy C-függvényben ugyanazt az értéket tárolhatod uint64_t, majd uint32_t típusú változóban. Assemblyben viszont nemcsak az érték szélességét kell megválasztanod: tudnod kell azt is, hogy egy 32 bites művelet mit tesz a hozzá tartozó 64 bites regiszter többi bitjével. Egy rosszul megválasztott regiszternév például elveszítheti egy 64 bites érték felső felét.

A regiszter (register) az utasítások által közvetlenül megnevezhető, rögzített szélességű processzorállapot. Nem C-változó: nincs hozzá automatikusan típus, élettartam vagy memóriacím rendelve. Egy általános célú regiszter bitmintája értelmezhető egész számként vagy címként; az értelmezést az utasítás és a program szerződése adja.

Ebben az alfejezetben minden utasítás és regiszternév az A64 ISA, AArch64, ARMv8-A alapprofil része. A labor little-endian Linux-folyamatként, qemu-aarch64 alatt fut. A korábbi debug-eszközök használatára építünk; memóriát még nem kell kezelned.

4.1.2 A 31 általános célú regiszter

Az A64 ISA általános célú regiszterei (general-purpose registers):

X0, X1, …, X30, egyenként 64 bit szélességgel.

Mindegyikhez tartozik egy 32 bites nézet: W0, W1, …, W30. Az azonos sorszámú Xn és Wn nem két külön tároló. A Wn az Xn alsó 32 bitjének elérésére szolgál.

A regiszterek többségét az ISA hasonlóan kezeli, de a függvények együttműködéséhez szerepeket rendelünk hozzájuk. Ezeket az eljáráshívási szabvány (Procedure Call Standard), itt az AAPCS64 rögzíti.

A „megőrzendő” azt jelenti: ha a hívott függvény módosítja a regisztert, visszatérés előtt helyre kell állítania az eredeti értékét. A táblázat ilyen kötelezettsége a teljes, 64 bites értékre vonatkozik.

A szerep és a hardverképesség nem ugyanaz. Az A64 X0 például nem kizárólag argumentumot tárolhat. Az A64 X30 azonban bizonyos utasításoknál különleges architekturális szerepet is kap: a BL ide írja a visszatérési címet. A részletes szerződést Az AAPCS64 regiszterszerződés tárgyalja.

4.1.3 A Wn/Xn nézetpár: olvasás és írás nem szimmetrikus

Az A64 Wn olvasása az Xn alsó 32 bitjét adja vissza, a felső biteket pedig figyelmen kívül hagyja. Az olvasás önmagában nem módosítja az Xn értékét.

Az A64 Wn célregiszterbe történő írás viszont:

1. beírja a 32 bites eredményt az Xn alsó felébe;
2. nullázza az Xn felső 32 bitjét.

Ez ISA-szabály, nem fordítói optimalizálás.

4.1.3.1 Bitszintű levezetés

Legyen $x$ az A64 Xn előjel nélküli, 64 bites értéke. A Wn olvasásával kapott érték:

$$w = x \bmod 2^{32}.$$

Ha egy utasítás a Wn célregiszterbe a 32 bites $r$ eredményt írja, ahol $0 \le r < 2^{32}$, akkor utána:

$$Xn = r.$$

Az értékek dimenzió nélküli egészek; a szélességek bitben értendők. A második összefüggés azért igaz, mert a felső fél nulla lesz: ez nullakiterjesztés (zero extension), nem előjelkiterjesztés.

A 0xffffffff bitminta 32 bites, előjeles kettes komplemens számként −1. Ugyanez a minta a nullázott felső féllel, 64 bites előjeles számként már 4294967295.

Az alábbi ábra ugyanezt a három sort mutatja egymás után, a táblázat sorrendjében: a kezdeti X9, majd a W9 olvasása (nincs hatás), majd a W9-be írás (a felső 32 bit nullázódik).

C-kapcsolatként: egy uint32_t érték uint64_t típusra alakítása hasonló nullakiterjesztést igényel. Egy negatív int32_t érték int64_t típusra alakításához viszont előjelkiterjesztés kell. A Wn-be írás nem következtet C-típusra.

4.1.4 Speciális állapot: SP, PC és a nulla-regiszter

4.1.4.1 A64 SP: veremmutató

Az SP veremmutató (stack pointer) 64 bites, speciális regiszter. A verem aktuális határát jelöli; nem az X0–X30 készlet egy újabb tagja.

Az A64 ISA bizonyos utasításformákban 32 bites WSP nézetet is biztosít, de 64 bites címek kezeléséhez ez nem helyettesíti az SP-t. Ebben a laborban egyiket sem módosítjuk. Az AAPCS64 nyilvános hívási határokon 16 bájtos veremigazítást követel meg; ennek indoklása A stack frame felépítése és a verem iránya témája.

4.1.4.2 A64 PC: programszámláló

A programszámláló (program counter), PC, az utasításvégrehajtás helyét határozza meg. A GDB megmutatja, de az A64 ISA-ban nem általános célú operandus: nem olvasható vagy írható egy közönséges MOV utasítással.

A végrehajtási helyet elágazás, hívás, visszatérés vagy kivétel módosíthatja. A debugger PC-módosító képessége nem jelenti azt, hogy létezik ugyanilyen A64 regisztermásoló utasítás.

4.1.4.3 A64 XZR/WZR: nulla olvasáskor, eldobás íráskor

A nulla-regiszter (zero register) 64 bites neve XZR, 32 bites neve WZR.

• Forrásként olvasva mindig nulla.
• Célként írva eldobja a neki szánt eredményt.
• Nem használható értékek megőrzésére.

Az eredmény eldobása nem feltétlenül szünteti meg az utasítás más mellékhatásait.

Fontos kódolási részlet: az A64 utasítások számos regisztermezője 5 bites. A 31-es mezőérték nem egy szabadon használható X31 regisztert jelöl: az adott utasításformától és operandushelytől függően SP-t vagy nulla-regisztert jelenthet, illetve az adott forma korlátozhatja használatát. Az SP és az XZR ezért nem felcserélhető.

4.1.5 PSTATE és NZCV: a regisztereken túli állapot

Az A64 processzorállapot (processor state), PSTATE, többek között állapotjelzőket tartalmaz. A később használt négy jelző:

Együttes nevük NZCV. Nem minden aritmetikai vagy adatmozgató utasítás módosítja őket. Különösen: az A64 Wn-be írás felsőbites nullázása nem azonos a Z jelző beállításával.

A labor adatmozgató utasításai nem módosítják az NZCV jelzőket. A pontos szabályokat Az NZCV állapotjelzők és eredetük fejti ki.

4.1.6 Kidolgozott példa: ugyanaz a tároló, két nézet

Munkakönyvtár: ~/arm-labor/a64/a010/ — az alfejezet minden laborfájlja ide kerül, és minden parancs innen futtatandó (a könyvtárrendet a Labor-alapkörnyezet alfejezet írja le).

mkdir -p ~/arm-labor/a64/a010
cd ~/arm-labor/a64/a010

A labor célja három külön tulajdonság megfigyelése:

1. A64 Wn olvasása nem törli az Xn felső felét.
2. A64 Wn írása törli az Xn felső felét.
3. Az A64 nulla-regiszter nem őrzi meg a beleírt értéket.

Mentsd a következő teljes programot lab-a010.s néven:

// A64 ISA, ARMv8-A; GNU as szintaxis és direktívák.
// Cél: little-endian AArch64 Linux, qemu-user.

.arch armv8-a
.text
.balign 4
.global _start
.type _start, %function

_start:
    movn    x9, #0

lab_after_seed:
    mov     w10, w9

lab_after_read:
    mov     w9, w10

lab_after_write:
    mov     x11, xzr
    mov     xzr, x10
    mov     w12, wzr

lab_done:
    movz    x0, #0
    movz    x8, #93
    svc     #0

.size _start, . - _start
.section .note.GNU-stack,"",%progbits

Az itt használt GNU as direktívák az AArch64 forrás szekcióját, igazítását és szimbólumait írják le; nem processzorutasítások. Részletes szerepükre a Hello world tisztán assemblyben tér vissza.

Az A64 MOVN X9, #0 a nullából képzett 64 bites bitminta bitenkénti negáltját írja be, tehát minden bitet egyre állít. A MOVN közvetlen konstansa (immediate operand) 16 bites; X célregiszternél a választható eltolás 0, 16, 32 vagy 48 bit. Itt az eltolás az alapértelmezett 0.

Az A64 regiszterek közötti MOV itt másoló utasításalias: nincs közvetlen konstansa. Az A64 MOVZ 16 bites konstanst helyez el, a többi bitet nullázva. X célregiszternél ugyanazok az eltolások választhatók; a labor 0 eltolást használ.

A programvégi A64 utasítások Linux-kilépési keretet alkotnak: X0 értéke az előjel nélküli 0 kilépési kód, X8 értéke a Linux AArch64 exit rendszerhívás 93-as száma. Az A64 SVC 16 bites immediate mezője itt 0; nem ez választja ki a rendszerhívást. Ez Linux-interfész, nem AAPCS64-függvényhívás: lásd Linux syscall-konvenció AArch64-en.

4.1.6.1 Összeszerelés, linkelés, futtatás

# Host: Ubuntu 24.04 x86_64.
# Target: qemu-user, little-endian AArch64 Linux.
aarch64-linux-gnu-as -EL -march=armv8-a -g \
    -o lab-a010.o lab-a010.s

aarch64-linux-gnu-ld -EL -e _start \
    -o lab-a010.elf lab-a010.o

qemu-aarch64 ./lab-a010.elf
printf 'exit=%d\n' "$?"

Levezetett, várt eredmény: a program nem ír ki szöveget; a shell exit=0 sort jelenít meg. Ez csak a szabályos befejezést igazolja, nem a köztes regiszterállapotokat.

4.1.6.2 Regisztervizsgálat GDB-vel

Az első terminálban:

# Target: qemu-user; a program debuggerkapcsolatra vár.
qemu-aarch64 -g 1234 ./lab-a010.elf
printf 'exit=%d\n' "$?"

A második terminálban:

# Target: az előző qemu-user folyamat A64 regiszterállapota.
gdb-multiarch -q ./lab-a010.elf \
    -ex 'target remote localhost:1234' \
    -ex 'break lab_after_read' \
    -ex 'break lab_after_write' \
    -ex 'break lab_done' \
    -ex 'continue' \
    -ex 'info registers x9 x10 pc' \
    -ex 'continue' \
    -ex 'info registers x9 x10 pc' \
    -ex 'continue' \
    -ex 'info registers x9 x10 x11 x12 sp pc' \
    -ex 'continue' \
    -ex 'quit'

A töréspont a címkéhez tartozó következő utasítás előtt állít meg.

A hexadecimális bejegyzések bitminták; a nulla itt előjel nélküli értékként szerepel. Az SP-t a program nem módosítja. A PC konkrét száma helyett a megfelelő szimbólumhoz tartozást ellenőrizd.

A lab_after_read megállás mutatja az olvasás és írás különbségét: a W9 forrás olvasása megőrzi az X9 felső bitjeit, miközben a W10 cél írása már nullázza az X10 felső felét.

4.1.7 Tipikus hibák és ellenpróbák

„A W9 és az X9 két külön regiszter.”
Tünet: egy 32 bites művelet után eltűnik a korábban X9-ben tárolt 64 bites érték felső fele. Hipotézis: az utasítás W9-et írta. Állj meg előtte és utána; mindig az egész X9-et vizsgáld.

„A W9-be írt −1 automatikusan 64 bites −1 lesz.”
Nem: az A64 W9-be írás nullakiterjeszt. Az ellenpróba a labor lab_after_write állapota. A szükséges előjelkiterjesztés külön művelet, nem regisztertulajdonság.

„Az XZR ideiglenes tároló.”
A beleírt érték elveszik. Egyetlen változtatásként cseréld a labor mov w12, wzr utasítását mov x12, xzr alakra: X12 továbbra is nulla, noha korábban X10-et „beleírtuk” az XZR-be.

„Az utasítás helyesnek látszik, de a debugger mást mutat.”
Először gyűjts bizonyítékot a tényleges binárisból:

# Target: a qemu-userhez épített A64 ELF statikus vizsgálata.
aarch64-linux-gnu-objdump -d ./lab-a010.elf

Ellenőrizd a W/X operandusokat, majd egyetlen változtatás után építs újra és indíts új QEMU-folyamatot. A régi folyamat nem cseréli le automatikusan a már betöltött programját.

4.1.8 Feladatok

1. (magyarázó, alapszint — cél: megértés-ellenőrzés) Miért marad minden bit egy az A64 X9-ben a lab_after_read ponton, miközben az X10 felső fele nulla? Mennyi ekkor a W10 előjeles, illetve az X10 előjeles értéke?

2. (implementációs, alapszint — cél: rutinépítés) Módosítsd a programot úgy, hogy az eredeti, minden bitjén egyes 64 bites érték az A64 X13-ban a lab_done pontig megmaradjon. Az eredeti W9-be írást ne töröld. Építsd újra ugyanazokkal a parancsokkal, és egészítsd ki a GDB regiszterlistáját.

3. (hibakeresési, középszint — cél: megértés-ellenőrzés) Kontrollált hibaként cseréld az A64 mov w10, w9 utasítást mov x10, x9 alakra. Előre írd le az X9 és X10 várható értékét mindkét első törésponton. Ellenőrizd disassemblyvel és GDB-vel, majd egyetlen módosítással állítsd vissza az eredeti viselkedést.

4.1.9 Megoldások

1. megoldás — Segítség. Különböztesd meg, melyik utasítás CSAK olvassa a forrásregisztert, és melyik ÍR egy célregiszterbe — a kettő között pont ez a nullázási szabály tesz különbséget.

1. megoldás — Teljes megoldás. A W9 csak forrás: olvasása nem módosítja az X9-et. A W10 célregiszter írása viszont nullázza az X10 felső felét. A W10 előjeles, 32 bites értéke −1; az X10 előjeles, 64 bites értéke 4294967295.

2. megoldás — Segítség. A mentést a W9-be írás ELŐTT kell elvégezni, különben már a nullázott érték másolódna. Gondold át, miért nem elég egy W-nézetű (32 bites) mentés.

2. megoldás — Teljes megoldás. A movn x9, #0 után, de a W9-be írás előtt helyezd el az A64 mov x13, x9 utasítást. A GDB-listába kerüljön x13 is. A lab_done ponton X13 várt bitmintája 0xffffffffffffffff, X9-é 0x00000000ffffffff. A teljes érték megőrzéséhez 64 bites másolás kell; W13 használata már a másolat felső felét is nullázná.

3. megoldás — Segítség. A hiba az, hogy a második utasítás immár a TELJES 64 bitet másolja, nem csak az alsót — kövesd végig lépésenként, melyik regiszter melyik félbitje változik.

3. megoldás — Teljes megoldás. A hibás változat lab_after_read pontján X9 és X10 is 0xffffffffffffffff. A következő, változatlan A64 mov w9, w10 csak az alsó 32 bitet másolja: lab_after_write esetén X9 már 0x00000000ffffffff, X10 továbbra is 0xffffffffffffffff. Az eredeti 32 bites másolás visszaállítása helyreállítja a várt állapotokat. A kilépési kód mindkét változatban 0 lehet, ezért önmagában nem megfelelő ellenőrzés.

4.1.10 Rövid összefoglaló

Az A64 ISA 31 általános célú, 64 bites regisztert biztosít X0–X30 néven. W0–W30 ezek alsó 32 bites nézete, nem külön tároló. Wn olvasása nem módosítja Xn-t, Wn írása viszont nullázza Xn felső felét. Az SP speciális veremmutató; a PC nem közönséges adatmozgatási operandus. Az XZR/WZR mindig nullát szolgáltat, a beleírt eredményt eldobja. A hívási szerepek együttműködési szabályok, nem általános hardverkorlátozások. Az NZCV külön processzorállapot, amelyet nem minden utasítás módosít. A laborban a köztes állapotokat töréspontonként kell ellenőrizni, mert a sikeres kilépés önmagában nem igazolja őket.

• Regiszternézet: ugyanazon tároló meghatározott szélességű elérése.
• Nullakiterjesztés: szélesítés nulla felső bitekkel.
• Nulla-regiszter: nulla forrásérték és eldobható cél.

4.1.11 Források és ellenőrzési hiányok

A linkek és a dokumentumverziók közös állapota az Olvasói útmutató forrásállapot-táblájában van; itt csak az alfejezet saját megállapításai szerepelnek.

• Arm A-profile dokumentáció: A64 regisztermodell, PSTATE és utasításszemantika. Ellenőrizve: a link él, de a fejezetszám és a kiadásbetű az Arm-oldalak közös korlátja miatt nem ellenőrzött.
• AAPCS64 – hivatalos Arm ABI-dokumentum: regiszterszerepek és megőrzési kötelezettségek. Ellenőrizve: a jelenlegi kiadás 2025Q4 (2026-01-23), Release minőségű (csak az SME-részek Beta).
• GNU assembler kézikönyv: AArch64 szintaxis és direktívák. Ellenőrizve: a jelenlegi kiadás binutils 2.47.
• GNU GDB kézikönyv: távoli hibakeresés és regisztervizsgálat. Ellenőrizve: a „current” fejlesztői pillanatkép (közös verziókorlát).
• Linux syscall kézikönyv: architektúrafüggő rendszerhívási interfész. Ellenőrizve: a Linux man-pages projekt 6.19-es kiadása.

Ellenőrzési hiányok, amelyek a fenti ellenőrzés után is fennmaradnak: a példát itt nem futtattuk; minden eredmény levezetett, várt állapot. Az Ubuntu 24.04-re telepített eszközök pontos verzióját és a GDB-megjelenítést a laborban kell rögzíteni. A gyakorlat ISA-viselkedést vizsgál, nem hardverhű végrehajtási időt.