]> Cypherpunks.ru repositories - gostls13.git/blob - doc/asm.html
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[gostls13.git] / doc / asm.html
1 <!--{
2         "Title": "A Quick Guide to Go's Assembler",
3         "Path":  "/doc/asm"
4 }-->
5
6 <h2 id="introduction">A Quick Guide to Go's Assembler</h2>
7
8 <p>
9 This document is a quick outline of the unusual form of assembly language used by the <code>gc</code> Go compiler.
10 The document is not comprehensive.
11 </p>
12
13 <p>
14 The assembler is based on the input style of the Plan 9 assemblers, which is documented in detail
15 <a href="https://9p.io/sys/doc/asm.html">elsewhere</a>.
16 If you plan to write assembly language, you should read that document although much of it is Plan 9-specific.
17 The current document provides a summary of the syntax and the differences with
18 what is explained in that document, and
19 describes the peculiarities that apply when writing assembly code to interact with Go.
20 </p>
21
22 <p>
23 The most important thing to know about Go's assembler is that it is not a direct representation of the underlying machine.
24 Some of the details map precisely to the machine, but some do not.
25 This is because the compiler suite (see
26 <a href="https://9p.io/sys/doc/compiler.html">this description</a>)
27 needs no assembler pass in the usual pipeline.
28 Instead, the compiler operates on a kind of semi-abstract instruction set,
29 and instruction selection occurs partly after code generation.
30 The assembler works on the semi-abstract form, so
31 when you see an instruction like <code>MOV</code>
32 what the toolchain actually generates for that operation might
33 not be a move instruction at all, perhaps a clear or load.
34 Or it might correspond exactly to the machine instruction with that name.
35 In general, machine-specific operations tend to appear as themselves, while more general concepts like
36 memory move and subroutine call and return are more abstract.
37 The details vary with architecture, and we apologize for the imprecision; the situation is not well-defined.
38 </p>
39
40 <p>
41 The assembler program is a way to parse a description of that
42 semi-abstract instruction set and turn it into instructions to be
43 input to the linker.
44 If you want to see what the instructions look like in assembly for a given architecture, say amd64, there
45 are many examples in the sources of the standard library, in packages such as
46 <a href="/pkg/runtime/"><code>runtime</code></a> and
47 <a href="/pkg/math/big/"><code>math/big</code></a>.
48 You can also examine what the compiler emits as assembly code
49 (the actual output may differ from what you see here):
50 </p>
51
52 <pre>
53 $ cat x.go
54 package main
55
56 func main() {
57         println(3)
58 }
59 $ GOOS=linux GOARCH=amd64 go tool compile -S x.go        # or: go build -gcflags -S x.go
60 "".main STEXT size=74 args=0x0 locals=0x10
61         0x0000 00000 (x.go:3)   TEXT    "".main(SB), $16-0
62         0x0000 00000 (x.go:3)   MOVQ    (TLS), CX
63         0x0009 00009 (x.go:3)   CMPQ    SP, 16(CX)
64         0x000d 00013 (x.go:3)   JLS     67
65         0x000f 00015 (x.go:3)   SUBQ    $16, SP
66         0x0013 00019 (x.go:3)   MOVQ    BP, 8(SP)
67         0x0018 00024 (x.go:3)   LEAQ    8(SP), BP
68         0x001d 00029 (x.go:3)   FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
69         0x001d 00029 (x.go:3)   FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
70         0x001d 00029 (x.go:3)   FUNCDATA        $2, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
71         0x001d 00029 (x.go:4)   PCDATA  $0, $0
72         0x001d 00029 (x.go:4)   PCDATA  $1, $0
73         0x001d 00029 (x.go:4)   CALL    runtime.printlock(SB)
74         0x0022 00034 (x.go:4)   MOVQ    $3, (SP)
75         0x002a 00042 (x.go:4)   CALL    runtime.printint(SB)
76         0x002f 00047 (x.go:4)   CALL    runtime.printnl(SB)
77         0x0034 00052 (x.go:4)   CALL    runtime.printunlock(SB)
78         0x0039 00057 (x.go:5)   MOVQ    8(SP), BP
79         0x003e 00062 (x.go:5)   ADDQ    $16, SP
80         0x0042 00066 (x.go:5)   RET
81         0x0043 00067 (x.go:5)   NOP
82         0x0043 00067 (x.go:3)   PCDATA  $1, $-1
83         0x0043 00067 (x.go:3)   PCDATA  $0, $-1
84         0x0043 00067 (x.go:3)   CALL    runtime.morestack_noctxt(SB)
85         0x0048 00072 (x.go:3)   JMP     0
86 ...
87 </pre>
88
89 <p>
90 The <code>FUNCDATA</code> and <code>PCDATA</code> directives contain information
91 for use by the garbage collector; they are introduced by the compiler.
92 </p>
93
94 <p>
95 To see what gets put in the binary after linking, use <code>go tool objdump</code>:
96 </p>
97
98 <pre>
99 $ go build -o x.exe x.go
100 $ go tool objdump -s main.main x.exe
101 TEXT main.main(SB) /tmp/x.go
102   x.go:3                0x10501c0               65488b0c2530000000      MOVQ GS:0x30, CX
103   x.go:3                0x10501c9               483b6110                CMPQ 0x10(CX), SP
104   x.go:3                0x10501cd               7634                    JBE 0x1050203
105   x.go:3                0x10501cf               4883ec10                SUBQ $0x10, SP
106   x.go:3                0x10501d3               48896c2408              MOVQ BP, 0x8(SP)
107   x.go:3                0x10501d8               488d6c2408              LEAQ 0x8(SP), BP
108   x.go:4                0x10501dd               e86e45fdff              CALL runtime.printlock(SB)
109   x.go:4                0x10501e2               48c7042403000000        MOVQ $0x3, 0(SP)
110   x.go:4                0x10501ea               e8e14cfdff              CALL runtime.printint(SB)
111   x.go:4                0x10501ef               e8ec47fdff              CALL runtime.printnl(SB)
112   x.go:4                0x10501f4               e8d745fdff              CALL runtime.printunlock(SB)
113   x.go:5                0x10501f9               488b6c2408              MOVQ 0x8(SP), BP
114   x.go:5                0x10501fe               4883c410                ADDQ $0x10, SP
115   x.go:5                0x1050202               c3                      RET
116   x.go:3                0x1050203               e83882ffff              CALL runtime.morestack_noctxt(SB)
117   x.go:3                0x1050208               ebb6                    JMP main.main(SB)
118 </pre>
119
120 <h3 id="constants">Constants</h3>
121
122 <p>
123 Although the assembler takes its guidance from the Plan 9 assemblers,
124 it is a distinct program, so there are some differences.
125 One is in constant evaluation.
126 Constant expressions in the assembler are parsed using Go's operator
127 precedence, not the C-like precedence of the original.
128 Thus <code>3&amp;1<<2</code> is 4, not 0—it parses as <code>(3&amp;1)<<2</code>
129 not <code>3&amp;(1<<2)</code>.
130 Also, constants are always evaluated as 64-bit unsigned integers.
131 Thus <code>-2</code> is not the integer value minus two,
132 but the unsigned 64-bit integer with the same bit pattern.
133 The distinction rarely matters but
134 to avoid ambiguity, division or right shift where the right operand's
135 high bit is set is rejected.
136 </p>
137
138 <h3 id="symbols">Symbols</h3>
139
140 <p>
141 Some symbols, such as <code>R1</code> or <code>LR</code>,
142 are predefined and refer to registers.
143 The exact set depends on the architecture.
144 </p>
145
146 <p>
147 There are four predeclared symbols that refer to pseudo-registers.
148 These are not real registers, but rather virtual registers maintained by
149 the toolchain, such as a frame pointer.
150 The set of pseudo-registers is the same for all architectures:
151 </p>
152
153 <ul>
154
155 <li>
156 <code>FP</code>: Frame pointer: arguments and locals.
157 </li>
158
159 <li>
160 <code>PC</code>: Program counter:
161 jumps and branches.
162 </li>
163
164 <li>
165 <code>SB</code>: Static base pointer: global symbols.
166 </li>
167
168 <li>
169 <code>SP</code>: Stack pointer: top of stack.
170 </li>
171
172 </ul>
173
174 <p>
175 All user-defined symbols are written as offsets to the pseudo-registers
176 <code>FP</code> (arguments and locals) and <code>SB</code> (globals).
177 </p>
178
179 <p>
180 The <code>SB</code> pseudo-register can be thought of as the origin of memory, so the symbol <code>foo(SB)</code>
181 is the name <code>foo</code> as an address in memory.
182 This form is used to name global functions and data.
183 Adding <code>&lt;&gt;</code> to the name, as in <span style="white-space: nowrap"><code>foo&lt;&gt;(SB)</code></span>, makes the name
184 visible only in the current source file, like a top-level <code>static</code> declaration in a C file.
185 Adding an offset to the name refers to that offset from the symbol's address, so
186 <code>foo+4(SB)</code> is four bytes past the start of <code>foo</code>.
187 </p>
188
189 <p>
190 The <code>FP</code> pseudo-register is a virtual frame pointer
191 used to refer to function arguments.
192 The compilers maintain a virtual frame pointer and refer to the arguments on the stack as offsets from that pseudo-register.
193 Thus <code>0(FP)</code> is the first argument to the function,
194 <code>8(FP)</code> is the second (on a 64-bit machine), and so on.
195 However, when referring to a function argument this way, it is necessary to place a name
196 at the beginning, as in <code>first_arg+0(FP)</code> and <code>second_arg+8(FP)</code>.
197 (The meaning of the offset—offset from the frame pointer—distinct
198 from its use with <code>SB</code>, where it is an offset from the symbol.)
199 The assembler enforces this convention, rejecting plain <code>0(FP)</code> and <code>8(FP)</code>.
200 The actual name is semantically irrelevant but should be used to document
201 the argument's name.
202 It is worth stressing that <code>FP</code> is always a
203 pseudo-register, not a hardware
204 register, even on architectures with a hardware frame pointer.
205 </p>
206
207 <p>
208 For assembly functions with Go prototypes, <code>go</code> <code>vet</code> will check that the argument names
209 and offsets match.
210 On 32-bit systems, the low and high 32 bits of a 64-bit value are distinguished by adding
211 a <code>_lo</code> or <code>_hi</code> suffix to the name, as in <code>arg_lo+0(FP)</code> or <code>arg_hi+4(FP)</code>.
212 If a Go prototype does not name its result, the expected assembly name is <code>ret</code>.
213 </p>
214
215 <p>
216 The <code>SP</code> pseudo-register is a virtual stack pointer
217 used to refer to frame-local variables and the arguments being
218 prepared for function calls.
219 It points to the top of the local stack frame, so references should use negative offsets
220 in the range [−framesize, 0):
221 <code>x-8(SP)</code>, <code>y-4(SP)</code>, and so on.
222 </p>
223
224 <p>
225 On architectures with a hardware register named <code>SP</code>,
226 the name prefix distinguishes
227 references to the virtual stack pointer from references to the architectural
228 <code>SP</code> register.
229 That is, <code>x-8(SP)</code> and <code>-8(SP)</code>
230 are different memory locations:
231 the first refers to the virtual stack pointer pseudo-register,
232 while the second refers to the
233 hardware's <code>SP</code> register.
234 </p>
235
236 <p>
237 On machines where <code>SP</code> and <code>PC</code> are
238 traditionally aliases for a physical, numbered register,
239 in the Go assembler the names <code>SP</code> and <code>PC</code>
240 are still treated specially;
241 for instance, references to <code>SP</code> require a symbol,
242 much like <code>FP</code>.
243 To access the actual hardware register use the true <code>R</code> name.
244 For example, on the ARM architecture the hardware
245 <code>SP</code> and <code>PC</code> are accessible as
246 <code>R13</code> and <code>R15</code>.
247 </p>
248
249 <p>
250 Branches and direct jumps are always written as offsets to the PC, or as
251 jumps to labels:
252 </p>
253
254 <pre>
255 label:
256         MOVW $0, R1
257         JMP label
258 </pre>
259
260 <p>
261 Each label is visible only within the function in which it is defined.
262 It is therefore permitted for multiple functions in a file to define
263 and use the same label names.
264 Direct jumps and call instructions can target text symbols,
265 such as <code>name(SB)</code>, but not offsets from symbols,
266 such as <code>name+4(SB)</code>.
267 </p>
268
269 <p>
270 Instructions, registers, and assembler directives are always in UPPER CASE to remind you
271 that assembly programming is a fraught endeavor.
272 (Exception: the <code>g</code> register renaming on ARM.)
273 </p>
274
275 <p>
276 In Go object files and binaries, the full name of a symbol is the
277 package path followed by a period and the symbol name:
278 <code>fmt.Printf</code> or <code>math/rand.Int</code>.
279 Because the assembler's parser treats period and slash as punctuation,
280 those strings cannot be used directly as identifier names.
281 Instead, the assembler allows the middle dot character U+00B7
282 and the division slash U+2215 in identifiers and rewrites them to
283 plain period and slash.
284 Within an assembler source file, the symbols above are written as
285 <code>fmt·Printf</code> and <code>math∕rand·Int</code>.
286 The assembly listings generated by the compilers when using the <code>-S</code> flag
287 show the period and slash directly instead of the Unicode replacements
288 required by the assemblers.
289 </p>
290
291 <p>
292 Most hand-written assembly files do not include the full package path
293 in symbol names, because the linker inserts the package path of the current
294 object file at the beginning of any name starting with a period:
295 in an assembly source file within the math/rand package implementation,
296 the package's Int function can be referred to as <code>·Int</code>.
297 This convention avoids the need to hard-code a package's import path in its
298 own source code, making it easier to move the code from one location to another.
299 </p>
300
301 <h3 id="directives">Directives</h3>
302
303 <p>
304 The assembler uses various directives to bind text and data to symbol names.
305 For example, here is a simple complete function definition. The <code>TEXT</code>
306 directive declares the symbol <code>runtime·profileloop</code> and the instructions
307 that follow form the body of the function.
308 The last instruction in a <code>TEXT</code> block must be some sort of jump, usually a <code>RET</code> (pseudo-)instruction.
309 (If it's not, the linker will append a jump-to-itself instruction; there is no fallthrough in <code>TEXTs</code>.)
310 After the symbol, the arguments are flags (see below)
311 and the frame size, a constant (but see below):
312 </p>
313
314 <pre>
315 TEXT runtime·profileloop(SB),NOSPLIT,$8
316         MOVQ    $runtime·profileloop1(SB), CX
317         MOVQ    CX, 0(SP)
318         CALL    runtime·externalthreadhandler(SB)
319         RET
320 </pre>
321
322 <p>
323 In the general case, the frame size is followed by an argument size, separated by a minus sign.
324 (It's not a subtraction, just idiosyncratic syntax.)
325 The frame size <code>$24-8</code> states that the function has a 24-byte frame
326 and is called with 8 bytes of argument, which live on the caller's frame.
327 If <code>NOSPLIT</code> is not specified for the <code>TEXT</code>,
328 the argument size must be provided.
329 For assembly functions with Go prototypes, <code>go</code> <code>vet</code> will check that the
330 argument size is correct.
331 </p>
332
333 <p>
334 Note that the symbol name uses a middle dot to separate the components and is specified as an offset from the
335 static base pseudo-register <code>SB</code>.
336 This function would be called from Go source for package <code>runtime</code> using the
337 simple name <code>profileloop</code>.
338 </p>
339
340 <p>
341 Global data symbols are defined by a sequence of initializing
342 <code>DATA</code> directives followed by a <code>GLOBL</code> directive.
343 Each <code>DATA</code> directive initializes a section of the
344 corresponding memory.
345 The memory not explicitly initialized is zeroed.
346 The general form of the <code>DATA</code> directive is
347
348 <pre>
349 DATA    symbol+offset(SB)/width, value
350 </pre>
351
352 <p>
353 which initializes the symbol memory at the given offset and width with the given value.
354 The <code>DATA</code> directives for a given symbol must be written with increasing offsets.
355 </p>
356
357 <p>
358 The <code>GLOBL</code> directive declares a symbol to be global.
359 The arguments are optional flags and the size of the data being declared as a global,
360 which will have initial value all zeros unless a <code>DATA</code> directive
361 has initialized it.
362 The <code>GLOBL</code> directive must follow any corresponding <code>DATA</code> directives.
363 </p>
364
365 <p>
366 For example,
367 </p>
368
369 <pre>
370 DATA divtab&lt;&gt;+0x00(SB)/4, $0xf4f8fcff
371 DATA divtab&lt;&gt;+0x04(SB)/4, $0xe6eaedf0
372 ...
373 DATA divtab&lt;&gt;+0x3c(SB)/4, $0x81828384
374 GLOBL divtab&lt;&gt;(SB), RODATA, $64
375
376 GLOBL runtime·tlsoffset(SB), NOPTR, $4
377 </pre>
378
379 <p>
380 declares and initializes <code>divtab&lt;&gt;</code>, a read-only 64-byte table of 4-byte integer values,
381 and declares <code>runtime·tlsoffset</code>, a 4-byte, implicitly zeroed variable that
382 contains no pointers.
383 </p>
384
385 <p>
386 There may be one or two arguments to the directives.
387 If there are two, the first is a bit mask of flags,
388 which can be written as numeric expressions, added or or-ed together,
389 or can be set symbolically for easier absorption by a human.
390 Their values, defined in the standard <code>#include</code>  file <code>textflag.h</code>, are:
391 </p>
392
393 <ul>
394 <li>
395 <code>NOPROF</code> = 1
396 <br>
397 (For <code>TEXT</code> items.)
398 Don't profile the marked function.  This flag is deprecated.
399 </li>
400 <li>
401 <code>DUPOK</code> = 2
402 <br>
403 It is legal to have multiple instances of this symbol in a single binary.
404 The linker will choose one of the duplicates to use.
405 </li>
406 <li>
407 <code>NOSPLIT</code> = 4
408 <br>
409 (For <code>TEXT</code> items.)
410 Don't insert the preamble to check if the stack must be split.
411 The frame for the routine, plus anything it calls, must fit in the
412 spare space at the top of the stack segment.
413 Used to protect routines such as the stack splitting code itself.
414 </li>
415 <li>
416 <code>RODATA</code> = 8
417 <br>
418 (For <code>DATA</code> and <code>GLOBL</code> items.)
419 Put this data in a read-only section.
420 </li>
421 <li>
422 <code>NOPTR</code> = 16
423 <br>
424 (For <code>DATA</code> and <code>GLOBL</code> items.)
425 This data contains no pointers and therefore does not need to be
426 scanned by the garbage collector.
427 </li>
428 <li>
429 <code>WRAPPER</code> = 32
430 <br>
431 (For <code>TEXT</code> items.)
432 This is a wrapper function and should not count as disabling <code>recover</code>.
433 </li>
434 <li>
435 <code>NEEDCTXT</code> = 64
436 <br>
437 (For <code>TEXT</code> items.)
438 This function is a closure so it uses its incoming context register.
439 </li>
440 <li>
441 <code>LOCAL</code> = 128
442 <br>
443 This symbol is local to the dynamic shared object.
444 </li>
445 <li>
446 <code>TLSBSS</code> = 256
447 <br>
448 (For <code>DATA</code> and <code>GLOBL</code> items.)
449 Put this data in thread local storage.
450 </li>
451 <li>
452 <code>NOFRAME</code> = 512
453 <br>
454 (For <code>TEXT</code> items.)
455 Do not insert instructions to allocate a stack frame and save/restore the return
456 address, even if this is not a leaf function.
457 Only valid on functions that declare a frame size of 0.
458 </li>
459 <li>
460 <code>TOPFRAME</code> = 2048
461 <br>
462 (For <code>TEXT</code> items.)
463 Function is the top of the call stack. Traceback should stop at this function.
464 </li>
465 </ul>
466
467 <h3 id="runtime">Runtime Coordination</h3>
468
469 <p>
470 For garbage collection to run correctly, the runtime must know the
471 location of pointers in all global data and in most stack frames.
472 The Go compiler emits this information when compiling Go source files,
473 but assembly programs must define it explicitly.
474 </p>
475
476 <p>
477 A data symbol marked with the <code>NOPTR</code> flag (see above)
478 is treated as containing no pointers to runtime-allocated data.
479 A data symbol with the <code>RODATA</code> flag
480 is allocated in read-only memory and is therefore treated
481 as implicitly marked <code>NOPTR</code>.
482 A data symbol with a total size smaller than a pointer
483 is also treated as implicitly marked <code>NOPTR</code>.
484 It is not possible to define a symbol containing pointers in an assembly source file;
485 such a symbol must be defined in a Go source file instead.
486 Assembly source can still refer to the symbol by name
487 even without <code>DATA</code> and <code>GLOBL</code> directives.
488 A good general rule of thumb is to define all non-<code>RODATA</code>
489 symbols in Go instead of in assembly.
490 </p>
491
492 <p>
493 Each function also needs annotations giving the location of
494 live pointers in its arguments, results, and local stack frame.
495 For an assembly function with no pointer results and
496 either no local stack frame or no function calls,
497 the only requirement is to define a Go prototype for the function
498 in a Go source file in the same package. The name of the assembly
499 function must not contain the package name component (for example,
500 function <code>Syscall</code> in package <code>syscall</code> should
501 use the name <code>·Syscall</code> instead of the equivalent name
502 <code>syscall·Syscall</code> in its <code>TEXT</code> directive).
503 For more complex situations, explicit annotation is needed.
504 These annotations use pseudo-instructions defined in the standard
505 <code>#include</code> file <code>funcdata.h</code>.
506 </p>
507
508 <p>
509 If a function has no arguments and no results,
510 the pointer information can be omitted.
511 This is indicated by an argument size annotation of <code>$<i>n</i>-0</code>
512 on the <code>TEXT</code> instruction.
513 Otherwise, pointer information must be provided by
514 a Go prototype for the function in a Go source file,
515 even for assembly functions not called directly from Go.
516 (The prototype will also let <code>go</code> <code>vet</code> check the argument references.)
517 At the start of the function, the arguments are assumed
518 to be initialized but the results are assumed uninitialized.
519 If the results will hold live pointers during a call instruction,
520 the function should start by zeroing the results and then
521 executing the pseudo-instruction <code>GO_RESULTS_INITIALIZED</code>.
522 This instruction records that the results are now initialized
523 and should be scanned during stack movement and garbage collection.
524 It is typically easier to arrange that assembly functions do not
525 return pointers or do not contain call instructions;
526 no assembly functions in the standard library use
527 <code>GO_RESULTS_INITIALIZED</code>.
528 </p>
529
530 <p>
531 If a function has no local stack frame,
532 the pointer information can be omitted.
533 This is indicated by a local frame size annotation of <code>$0-<i>n</i></code>
534 on the <code>TEXT</code> instruction.
535 The pointer information can also be omitted if the
536 function contains no call instructions.
537 Otherwise, the local stack frame must not contain pointers,
538 and the assembly must confirm this fact by executing the
539 pseudo-instruction <code>NO_LOCAL_POINTERS</code>.
540 Because stack resizing is implemented by moving the stack,
541 the stack pointer may change during any function call:
542 even pointers to stack data must not be kept in local variables.
543 </p>
544
545 <p>
546 Assembly functions should always be given Go prototypes,
547 both to provide pointer information for the arguments and results
548 and to let <code>go</code> <code>vet</code> check that
549 the offsets being used to access them are correct.
550 </p>
551
552 <h2 id="architectures">Architecture-specific details</h2>
553
554 <p>
555 It is impractical to list all the instructions and other details for each machine.
556 To see what instructions are defined for a given machine, say ARM,
557 look in the source for the <code>obj</code> support library for
558 that architecture, located in the directory <code>src/cmd/internal/obj/arm</code>.
559 In that directory is a file <code>a.out.go</code>; it contains
560 a long list of constants starting with <code>A</code>, like this:
561 </p>
562
563 <pre>
564 const (
565         AAND = obj.ABaseARM + obj.A_ARCHSPECIFIC + iota
566         AEOR
567         ASUB
568         ARSB
569         AADD
570         ...
571 </pre>
572
573 <p>
574 This is the list of instructions and their spellings as known to the assembler and linker for that architecture.
575 Each instruction begins with an initial capital <code>A</code> in this list, so <code>AAND</code>
576 represents the bitwise and instruction,
577 <code>AND</code> (without the leading <code>A</code>),
578 and is written in assembly source as <code>AND</code>.
579 The enumeration is mostly in alphabetical order.
580 (The architecture-independent <code>AXXX</code>, defined in the
581 <code>cmd/internal/obj</code> package,
582 represents an invalid instruction).
583 The sequence of the <code>A</code> names has nothing to do with the actual
584 encoding of the machine instructions.
585 The <code>cmd/internal/obj</code> package takes care of that detail.
586 </p>
587
588 <p>
589 The instructions for both the 386 and AMD64 architectures are listed in
590 <code>cmd/internal/obj/x86/a.out.go</code>.
591 </p>
592
593 <p>
594 The architectures share syntax for common addressing modes such as
595 <code>(R1)</code> (register indirect),
596 <code>4(R1)</code> (register indirect with offset), and
597 <code>$foo(SB)</code> (absolute address).
598 The assembler also supports some (not necessarily all) addressing modes
599 specific to each architecture.
600 The sections below list these.
601 </p>
602
603 <p>
604 One detail evident in the examples from the previous sections is that data in the instructions flows from left to right:
605 <code>MOVQ</code> <code>$0,</code> <code>CX</code> clears <code>CX</code>.
606 This rule applies even on architectures where the conventional notation uses the opposite direction.
607 </p>
608
609 <p>
610 Here follow some descriptions of key Go-specific details for the supported architectures.
611 </p>
612
613 <h3 id="x86">32-bit Intel 386</h3>
614
615 <p>
616 The runtime pointer to the <code>g</code> structure is maintained
617 through the value of an otherwise unused (as far as Go is concerned) register in the MMU.
618 An OS-dependent macro <code>get_tls</code> is defined for the assembler if the source is
619 in the <code>runtime</code> package and includes a special header, <code>go_tls.h</code>:
620 </p>
621
622 <pre>
623 #include "go_tls.h"
624 </pre>
625
626 <p>
627 Within the runtime, the <code>get_tls</code> macro loads its argument register
628 with a pointer to the <code>g</code> pointer, and the <code>g</code> struct
629 contains the <code>m</code> pointer.
630 There's another special header containing the offsets for each
631 element of <code>g</code>, called <code>go_asm.h</code>.
632 The sequence to load <code>g</code> and <code>m</code> using <code>CX</code> looks like this:
633 </p>
634
635 <pre>
636 #include "go_tls.h"
637 #include "go_asm.h"
638 ...
639 get_tls(CX)
640 MOVL    g(CX), AX     // Move g into AX.
641 MOVL    g_m(AX), BX   // Move g.m into BX.
642 </pre>
643
644 <p>
645 Note: The code above works only in the <code>runtime</code> package, while <code>go_tls.h</code> also
646 applies to <a href="#arm">arm</a>, <a href="#amd64">amd64</a> and amd64p32, and <code>go_asm.h</code> applies to all architectures.
647 </p>
648
649 <p>
650 Addressing modes:
651 </p>
652
653 <ul>
654
655 <li>
656 <code>(DI)(BX*2)</code>: The location at address <code>DI</code> plus <code>BX*2</code>.
657 </li>
658
659 <li>
660 <code>64(DI)(BX*2)</code>: The location at address <code>DI</code> plus <code>BX*2</code> plus 64.
661 These modes accept only 1, 2, 4, and 8 as scale factors.
662 </li>
663
664 </ul>
665
666 <p>
667 When using the compiler and assembler's
668 <code>-dynlink</code> or <code>-shared</code> modes,
669 any load or store of a fixed memory location such as a global variable
670 must be assumed to overwrite <code>CX</code>.
671 Therefore, to be safe for use with these modes,
672 assembly sources should typically avoid CX except between memory references.
673 </p>
674
675 <h3 id="amd64">64-bit Intel 386 (a.k.a. amd64)</h3>
676
677 <p>
678 The two architectures behave largely the same at the assembler level.
679 Assembly code to access the <code>m</code> and <code>g</code>
680 pointers on the 64-bit version is the same as on the 32-bit 386,
681 except it uses <code>MOVQ</code> rather than <code>MOVL</code>:
682 </p>
683
684 <pre>
685 get_tls(CX)
686 MOVQ    g(CX), AX     // Move g into AX.
687 MOVQ    g_m(AX), BX   // Move g.m into BX.
688 </pre>
689
690 <h3 id="arm">ARM</h3>
691
692 <p>
693 The registers <code>R10</code> and <code>R11</code>
694 are reserved by the compiler and linker.
695 </p>
696
697 <p>
698 <code>R10</code> points to the <code>g</code> (goroutine) structure.
699 Within assembler source code, this pointer must be referred to as <code>g</code>;
700 the name <code>R10</code> is not recognized.
701 </p>
702
703 <p>
704 To make it easier for people and compilers to write assembly, the ARM linker
705 allows general addressing forms and pseudo-operations like <code>DIV</code> or <code>MOD</code>
706 that may not be expressible using a single hardware instruction.
707 It implements these forms as multiple instructions, often using the <code>R11</code> register
708 to hold temporary values.
709 Hand-written assembly can use <code>R11</code>, but doing so requires
710 being sure that the linker is not also using it to implement any of the other
711 instructions in the function.
712 </p>
713
714 <p>
715 When defining a <code>TEXT</code>, specifying frame size <code>$-4</code>
716 tells the linker that this is a leaf function that does not need to save <code>LR</code> on entry.
717 </p>
718
719 <p>
720 The name <code>SP</code> always refers to the virtual stack pointer described earlier.
721 For the hardware register, use <code>R13</code>.
722 </p>
723
724 <p>
725 Condition code syntax is to append a period and the one- or two-letter code to the instruction,
726 as in <code>MOVW.EQ</code>.
727 Multiple codes may be appended: <code>MOVM.IA.W</code>.
728 The order of the code modifiers is irrelevant.
729 </p>
730
731 <p>
732 Addressing modes:
733 </p>
734
735 <ul>
736
737 <li>
738 <code>R0-&gt;16</code>
739 <br>
740 <code>R0&gt;&gt;16</code>
741 <br>
742 <code>R0&lt;&lt;16</code>
743 <br>
744 <code>R0@&gt;16</code>:
745 For <code>&lt;&lt;</code>, left shift <code>R0</code> by 16 bits.
746 The other codes are <code>-&gt;</code> (arithmetic right shift),
747 <code>&gt;&gt;</code> (logical right shift), and
748 <code>@&gt;</code> (rotate right).
749 </li>
750
751 <li>
752 <code>R0-&gt;R1</code>
753 <br>
754 <code>R0&gt;&gt;R1</code>
755 <br>
756 <code>R0&lt;&lt;R1</code>
757 <br>
758 <code>R0@&gt;R1</code>:
759 For <code>&lt;&lt;</code>, left shift <code>R0</code> by the count in <code>R1</code>.
760 The other codes are <code>-&gt;</code> (arithmetic right shift),
761 <code>&gt;&gt;</code> (logical right shift), and
762 <code>@&gt;</code> (rotate right).
763
764 </li>
765
766 <li>
767 <code>[R0,g,R12-R15]</code>: For multi-register instructions, the set comprising
768 <code>R0</code>, <code>g</code>, and <code>R12</code> through <code>R15</code> inclusive.
769 </li>
770
771 <li>
772 <code>(R5, R6)</code>: Destination register pair.
773 </li>
774
775 </ul>
776
777 <h3 id="arm64">ARM64</h3>
778
779 <p>
780 The ARM64 port is in an experimental state.
781 </p>
782
783 <p>
784 <code>R18</code> is the "platform register", reserved on the Apple platform.
785 To prevent accidental misuse, the register is named <code>R18_PLATFORM</code>.
786 <code>R27</code> and <code>R28</code> are reserved by the compiler and linker.
787 <code>R29</code> is the frame pointer.
788 <code>R30</code> is the link register.
789 </p>
790
791 <p>
792 Instruction modifiers are appended to the instruction following a period.
793 The only modifiers are <code>P</code> (postincrement) and <code>W</code>
794 (preincrement):
795 <code>MOVW.P</code>, <code>MOVW.W</code>
796 </p>
797
798 <p>
799 Addressing modes:
800 </p>
801
802 <ul>
803
804 <li>
805 <code>R0-&gt;16</code>
806 <br>
807 <code>R0&gt;&gt;16</code>
808 <br>
809 <code>R0&lt;&lt;16</code>
810 <br>
811 <code>R0@&gt;16</code>:
812 These are the same as on the 32-bit ARM.
813 </li>
814
815 <li>
816 <code>$(8&lt;&lt;12)</code>:
817 Left shift the immediate value <code>8</code> by <code>12</code> bits.
818 </li>
819
820 <li>
821 <code>8(R0)</code>:
822 Add the value of <code>R0</code> and <code>8</code>.
823 </li>
824
825 <li>
826 <code>(R2)(R0)</code>:
827 The location at <code>R0</code> plus <code>R2</code>.
828 </li>
829
830 <li>
831 <code>R0.UXTB</code>
832 <br>
833 <code>R0.UXTB&lt;&lt;imm</code>:
834 <code>UXTB</code>: extract an 8-bit value from the low-order bits of <code>R0</code> and zero-extend it to the size of <code>R0</code>.
835 <code>R0.UXTB&lt;&lt;imm</code>: left shift the result of <code>R0.UXTB</code> by <code>imm</code> bits.
836 The <code>imm</code> value can be 0, 1, 2, 3, or 4.
837 The other extensions include <code>UXTH</code> (16-bit), <code>UXTW</code> (32-bit), and <code>UXTX</code> (64-bit).
838 </li>
839
840 <li>
841 <code>R0.SXTB</code>
842 <br>
843 <code>R0.SXTB&lt;&lt;imm</code>:
844 <code>SXTB</code>: extract an 8-bit value from the low-order bits of <code>R0</code> and sign-extend it to the size of <code>R0</code>.
845 <code>R0.SXTB&lt;&lt;imm</code>: left shift the result of <code>R0.SXTB</code> by <code>imm</code> bits.
846 The <code>imm</code> value can be 0, 1, 2, 3, or 4.
847 The other extensions include <code>SXTH</code> (16-bit), <code>SXTW</code> (32-bit), and <code>SXTX</code> (64-bit).
848 </li>
849
850 <li>
851 <code>(R5, R6)</code>: Register pair for <code>LDAXP</code>/<code>LDP</code>/<code>LDXP</code>/<code>STLXP</code>/<code>STP</code>/<code>STP</code>.
852 </li>
853
854 </ul>
855
856 <p>
857 Reference: <a href="/pkg/cmd/internal/obj/arm64">Go ARM64 Assembly Instructions Reference Manual</a>
858 </p>
859
860 <h3 id="ppc64">PPC64</h3>
861
862 <p>
863 This assembler is used by GOARCH values ppc64 and ppc64le.
864 </p>
865
866 <p>
867 Reference: <a href="/pkg/cmd/internal/obj/ppc64">Go PPC64 Assembly Instructions Reference Manual</a>
868 </p>
869
870 </ul>
871
872 <h3 id="s390x">IBM z/Architecture, a.k.a. s390x</h3>
873
874 <p>
875 The registers <code>R10</code> and <code>R11</code> are reserved.
876 The assembler uses them to hold temporary values when assembling some instructions.
877 </p>
878
879 <p>
880 <code>R13</code> points to the <code>g</code> (goroutine) structure.
881 This register must be referred to as <code>g</code>; the name <code>R13</code> is not recognized.
882 </p>
883
884 <p>
885 <code>R15</code> points to the stack frame and should typically only be accessed using the
886 virtual registers <code>SP</code> and <code>FP</code>.
887 </p>
888
889 <p>
890 Load- and store-multiple instructions operate on a range of registers.
891 The range of registers is specified by a start register and an end register.
892 For example, <code>LMG</code> <code>(R9),</code> <code>R5,</code> <code>R7</code> would load
893 <code>R5</code>, <code>R6</code> and <code>R7</code> with the 64-bit values at
894 <code>0(R9)</code>, <code>8(R9)</code> and <code>16(R9)</code> respectively.
895 </p>
896
897 <p>
898 Storage-and-storage instructions such as <code>MVC</code> and <code>XC</code> are written
899 with the length as the first argument.
900 For example, <code>XC</code> <code>$8,</code> <code>(R9),</code> <code>(R9)</code> would clear
901 eight bytes at the address specified in <code>R9</code>.
902 </p>
903
904 <p>
905 If a vector instruction takes a length or an index as an argument then it will be the
906 first argument.
907 For example, <code>VLEIF</code> <code>$1,</code> <code>$16,</code> <code>V2</code> will load
908 the value sixteen into index one of <code>V2</code>.
909 Care should be taken when using vector instructions to ensure that they are available at
910 runtime.
911 To use vector instructions a machine must have both the vector facility (bit 129 in the
912 facility list) and kernel support.
913 Without kernel support a vector instruction will have no effect (it will be equivalent
914 to a <code>NOP</code> instruction).
915 </p>
916
917 <p>
918 Addressing modes:
919 </p>
920
921 <ul>
922
923 <li>
924 <code>(R5)(R6*1)</code>: The location at <code>R5</code> plus <code>R6</code>.
925 It is a scaled mode as on the x86, but the only scale allowed is <code>1</code>.
926 </li>
927
928 </ul>
929
930 <h3 id="mips">MIPS, MIPS64</h3>
931
932 <p>
933 General purpose registers are named <code>R0</code> through <code>R31</code>,
934 floating point registers are <code>F0</code> through <code>F31</code>.
935 </p>
936
937 <p>
938 <code>R30</code> is reserved to point to <code>g</code>.
939 <code>R23</code> is used as a temporary register.
940 </p>
941
942 <p>
943 In a <code>TEXT</code> directive, the frame size <code>$-4</code> for MIPS or
944 <code>$-8</code> for MIPS64 instructs the linker not to save <code>LR</code>.
945 </p>
946
947 <p>
948 <code>SP</code> refers to the virtual stack pointer.
949 For the hardware register, use <code>R29</code>.
950 </p>
951
952 <p>
953 Addressing modes:
954 </p>
955
956 <ul>
957
958 <li>
959 <code>16(R1)</code>: The location at <code>R1</code> plus 16.
960 </li>
961
962 <li>
963 <code>(R1)</code>: Alias for <code>0(R1)</code>.
964 </li>
965
966 </ul>
967
968 <p>
969 The value of <code>GOMIPS</code> environment variable (<code>hardfloat</code> or
970 <code>softfloat</code>) is made available to assembly code by predefining either
971 <code>GOMIPS_hardfloat</code> or <code>GOMIPS_softfloat</code>.
972 </p>
973
974 <p>
975 The value of <code>GOMIPS64</code> environment variable (<code>hardfloat</code> or
976 <code>softfloat</code>) is made available to assembly code by predefining either
977 <code>GOMIPS64_hardfloat</code> or <code>GOMIPS64_softfloat</code>.
978 </p>
979
980 <h3 id="unsupported_opcodes">Unsupported opcodes</h3>
981
982 <p>
983 The assemblers are designed to support the compiler so not all hardware instructions
984 are defined for all architectures: if the compiler doesn't generate it, it might not be there.
985 If you need to use a missing instruction, there are two ways to proceed.
986 One is to update the assembler to support that instruction, which is straightforward
987 but only worthwhile if it's likely the instruction will be used again.
988 Instead, for simple one-off cases, it's possible to use the <code>BYTE</code>
989 and <code>WORD</code> directives
990 to lay down explicit data into the instruction stream within a <code>TEXT</code>.
991 Here's how the 386 runtime defines the 64-bit atomic load function.
992 </p>
993
994 <pre>
995 // uint64 atomicload64(uint64 volatile* addr);
996 // so actually
997 // void atomicload64(uint64 *res, uint64 volatile *addr);
998 TEXT runtime·atomicload64(SB), NOSPLIT, $0-12
999         MOVL    ptr+0(FP), AX
1000         TESTL   $7, AX
1001         JZ      2(PC)
1002         MOVL    0, AX // crash with nil ptr deref
1003         LEAL    ret_lo+4(FP), BX
1004         // MOVQ (%EAX), %MM0
1005         BYTE $0x0f; BYTE $0x6f; BYTE $0x00
1006         // MOVQ %MM0, 0(%EBX)
1007         BYTE $0x0f; BYTE $0x7f; BYTE $0x03
1008         // EMMS
1009         BYTE $0x0F; BYTE $0x77
1010         RET
1011 </pre>