ARM64アセンブリ言語
ARM64アセンブリ言語の教科書へようこそ。本書では、モバイルデバイスや組み込みシステムで利用されるARM64アーキテクチャの理解を深め、アセンブリ言語プログラミングの基礎から発展的なトピックまでを探求します。概要から最適化手法まで、ARM64におけるプログラミングスキルを磨くための知識を提供します。
アーキテクチャの概要

ARM64アーキテクチャは、ARM Holdingsによって設計・開発されたAdvanced RISC Machines(ARM)アーキテクチャの64ビット版であり、ARMv8-Aとしても知られています。ARMv8-Aが初めて導入されたのは2011年であり、これによりARMアーキテクチャは64ビットプロセッサをサポートするようになりました。ARM64は当初、サーバや組み込みデバイス向けに設計され、その後モバイルデバイスにも広く普及しています。
アーキテクチャの概要

ARM64アーキテクチャの主な特徴には次のようなものがあります:
アーキテクチャの概要

ARM64アーキテクチャでは、異なる種類のレジスタが異なる役割を果たしています:
アーキテクチャの概要

ARM64アーキテクチャの命令セットは非常に豊富で多様です:
アーキテクチャの概要

ARM64アーキテクチャの命令セットは、以下の特徴を持っています:
アーキテクチャの概要

ARM64アーキテクチャの命令セットは、高度な性能と柔軟性を提供し、幅広いアプリケーションに適しています。これにより、モバイルデバイスからサーバまで、さまざまなプラットフォームで利用されています。
アセンブリ言語の基本

アセンブリ言語の命令は、機械語命令に対応して人間が理解しやすい形で表現されます。基本的な構造は次の通りです:
アセンブリ言語の基本

アセンブリ言語では、プロセッサ内に存在する記憶領域としてレジスタが使用されます。レジスタは高速で直接アクセス可能な領域であり、一時的なデータの保存や演算に利用されます。例えば、ARM64アーキテクチャでは x0, x1, x2, ... が一般的な汎用レジスタです。
アセンブリ言語の基本

メモリアクセスのための命令は、データの読み書きやアドレスの計算に使用されます。例えば、LDR命令はメモリからデータを読み込む命令です。
アセンブリ言語の基本

プログラムの制御フローを変更するために、分岐と条件分岐が使用されます。例えば、B命令は無条件分岐を行います。
アセンブリ言語の基本

また、条件分岐は B命令に条件を組み合わせて実現されます。
アセンブリ言語の基本

コメントはアセンブリコード内で説明やメモを残すために使用されます。コメントはコードの理解を助け、他のプログラマがコードを追いやすくします。
アセンブリ言語の基本

コメントは可読性向上に寄与し、コードの目的や動作を理解しやすくします。
データ処理命令

データ処理命令は、レジスタ内のデータに対する操作を行うアセンブリ命令です。基本的な構文と使い方は次の通りです:
データ処理命令

データ処理命令には、加算・減算などの基本的な演算の他に、論理操作やシフト操作が含まれます。以下は一部の代表的な演算とそのアセンブリ表現です。
データ処理命令

これらの演算や論理操作は、アセンブリ言語を使用してプロセッサに対する細かな制御を行うために重要です。データ処理命令を理解し、適切に利用することで、効率的で高度なプログラミングが可能となります。
データ転送命令とレジスタ間の操作

データ転送命令は、メモリとレジスタ間でデータを転送するための命令です。また、レジスタ間のデータ操作もデータ処理命令を使用して行います。
データ転送命令とレジスタ間の操作

これらのコードはARM64アーキテクチャで実行可能なデータ転送命令とレジスタ間の操作を示しています。LDR命令はメモリからデータをロードし、STR命令はレジスタの値をメモリにストアします。MOV命令はレジスタ間でのデータの単純なコピーを行います。
分岐と制御構造

条件分岐は、特定の条件が真である場合と偽である場合でプログラムの制御を切り替えるために使用されます。ARM64アセンブリ言語では、条件コードを用いて条件分岐を実装します。
分岐と制御構造

上記の例では、CMP命令でx0とx1を比較し、その結果に基づいてBNE命令が条件分岐します。条件コード NE は「Not Equal(等しくない)」を表します。
分岐と制御構造

ARM32アーキテクチャでは、条件実行命令を使用してほとんどの命令を条件によって実行またはスキップすることが可能でしたが、ARM64アーキテクチャでが一部の限定された命令に限られます。以下に、条件実行の実装と使用に関するいくつかの重要な命令を紹介します。
分岐と制御構造

CSEL命令は、条件が真の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rn の値を、条件が偽の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rm の値を代入します。
分岐と制御構造

この命令は条件が満たされたかどうかに基づいてレジスタの内容を選択的に代入します。
分岐と制御構造

CSET命令は、条件が真の場合はレジスタ Rd に1を、条件が偽の場合は0を代入します。
分岐と制御構造

この命令は、条件が成り立つかどうかに基づいてレジスタに1または0をセットします。
分岐と制御構造

CSINC命令は、条件が真の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rn の値を代入し、条件が偽の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rm の値に1を加えた値を代入します。
分岐と制御構造

この命令は条件に応じてレジスタの内容を選択的に増分させます。
分岐と制御構造

CSINV命令は、条件が真の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rn の値を代入し、条件が偽の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rm のビット毎の反転(1の補数)を代入します。
分岐と制御構造

この命令は条件に応じてレジスタの内容をビット毎に反転させます。
分岐と制御構造

CSNEG命令は、条件が真の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rn の値を代入し、条件が偽の場合はレジスタ Rd にレジスタ Rm の符号付き整数としての2の補数(正負反転)を代入します。
分岐と制御構造

この命令は条件に応じてレジスタの内容を符号付き整数として反転させます。
分岐と制御構造

これらの条件実行命令を使用することで、複雑な条件分岐や算術操作を行うプログラムをより効果的に実装することができます。条件に応じてプログラムのフローを制御する際に重要な役割を果たします。
分岐と制御構造

ループは特定の条件が満たされる限り、同じ一連の命令を繰り返し実行する制御構造です。
分岐と制御構造

上記の例では、CMP命令でx5が10より小さいかどうかを比較し、条件が成り立つ場合はADD命令とB命令でループを繰り返します。BGE命令は「Branch if Greater Than or Equal(大なりイコールの場合に分岐)」を意味し、loop_endに分岐します。
分岐と制御構造

サブルーチン(サブプログラムや関数)はプログラム内で他の一連の命令を実行するために呼び出されるものです。サブルーチンの呼び出し時には、リンクレジスタ(Link Register)やスタックが使われることが一般的です。
分岐と制御構造

上記の例では、BL(Branch with Link)命令を使用してサブルーチンを呼び出します。これにより、呼び出し元のアドレスがリンクレジスタに保存され、サブルーチンの終了時に呼び出し元に戻ることができます。また、サブルーチン内で使用する一時的なデータやレジスタの保存にはスタックが利用されることがあります。
分岐と制御構造

上記の例では、SUB命令とADD命令を使用してスタックポインタを調整し、STR命令とLDR命令を使って一時的なデータの保存と復元を行っています。