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MFV r355071: libbsdxml (expat) 2.2.9.
[FreeBSD/FreeBSD.git] / share / man / man7 / arch.7
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2 .\"
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4 .\" The FreeBSD Foundation.
5 .\"
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7 .\" modification, are permitted provided that the following conditions
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25 .\" SUCH DAMAGE.
26 .\"
27 .\" $FreeBSD$
28 .\"
29 .Dd November 20, 2019
30 .Dt ARCH 7
31 .Os
32 .Sh NAME
33 .Nm arch
34 .Nd Architecture-specific details
35 .Sh DESCRIPTION
36 Differences between CPU architectures and platforms supported by
37 .Fx .
38 .Ss Introduction
39 This document is a quick reference of key ABI details of
40 .Fx
41 architecture ports.
42 For full details consult the processor-specific ABI supplement
43 documentation.
44 .Pp
45 If not explicitly mentioned, sizes are in bytes.
46 The architecture details in this document apply to
47 .Fx 11.0
48 and later, unless otherwise noted.
49 .Pp
50 .Fx
51 uses a flat address space.
52 Variables of types
53 .Vt unsigned long ,
54 .Vt uintptr_t ,
55 and
56 .Vt size_t
57 and pointers all have the same representation.
58 .Pp
59 In order to maximize compatibility with future pointer integrity mechanisms,
60 manipulations of pointers as integers should be performed via
61 .Vt uintptr_t
62 or
63 .Vt intptr_t
64 and no other types.
65 In particular,
66 .Vt long
67 and
68 .Vt ptrdiff_t
69 should be avoided.
70 .Pp
71 On some architectures, e.g.,
72 .Dv sparc64 ,
73 .Dv powerpc
74 and AIM variants of
75 .Dv powerpc64 ,
76 the kernel uses a separate address space.
77 On other architectures, kernel and a user mode process share a
78 single address space.
79 The kernel is located at the highest addresses.
80 .Pp
81 On each architecture, the main user mode thread's stack starts near
82 the highest user address and grows down.
83 .Pp
84 .Fx
85 architecture support varies by release.
86 This table shows the first
87 .Fx
88 release to support each architecture, and, for discontinued
89 architectures, the final release.
90 .Pp
91 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Initial Release" "Sy Final Release"
92 .It Sy Architecture Ta Sy Initial Release Ta Sy Final Release
93 .It aarch64     Ta 11.0
94 .It alpha       Ta 3.2   Ta 6.4
95 .It amd64       Ta 5.1
96 .It arm         Ta 6.0   Ta 12.x
97 .It armeb       Ta 8.0   Ta 11.x
98 .It armv6       Ta 10.0
99 .It armv7       Ta 12.0
100 .It ia64        Ta 5.0   Ta 10.4
101 .It i386        Ta 1.0
102 .It mips        Ta 8.0
103 .It mipsel      Ta 9.0
104 .It mipselhf    Ta 12.0
105 .It mipshf      Ta 12.0
106 .It mipsn32     Ta 9.0
107 .It mips64      Ta 9.0
108 .It mips64el    Ta 9.0
109 .It mips64elhf  Ta 12.0
110 .It mips64hf    Ta 12.0
111 .It pc98        Ta 2.2   Ta 11.x
112 .It powerpc     Ta 6.0
113 .It powerpcspe  Ta 12.0
114 .It powerpc64   Ta 6.0
115 .It riscv64     Ta 12.0
116 .It riscv64sf   Ta 12.0
117 .It sparc64     Ta 5.0   Ta 12.x
118 .El
119 .Ss Type sizes
120 All
121 .Fx
122 architectures use some variant of the ELF (see
123 .Xr elf 5 )
124 .Sy Application Binary Interface
125 (ABI) for the machine processor.
126 All supported ABIs can be divided into two groups:
127 .Bl -tag -width "Dv ILP32"
128 .It Dv ILP32
129 .Vt int ,
130 .Vt long ,
131 .Vt void *
132 types machine representations all have 4-byte size.
133 .It Dv LP64
134 .Vt int
135 type machine representation uses 4 bytes,
136 while
137 .Vt long
138 and
139 .Vt void *
140 are 8 bytes.
141 .El
142 Compilers define the
143 .Dv _LP64
144 symbol when compiling for an
145 .Dv LP64
146 ABI.
147 .Pp
148 Some machines support more that one
149 .Fx
150 ABI.
151 Typically these are 64-bit machines, where the
152 .Dq native
153 .Dv LP64
154 execution environment is accompanied by the
155 .Dq legacy
156 .Dv ILP32
157 environment, which was historical 32-bit predecessor for 64-bit evolution.
158 Examples are:
159 .Bl -column -offset indent "Dv powerpc64" "Sy ILP32 counterpart"
160 .It Sy LP64        Ta Sy ILP32 counterpart
161 .It Dv amd64       Ta Dv i386
162 .It Dv powerpc64   Ta Dv powerpc
163 .It Dv mips64*     Ta Dv mips*
164 .It Dv aarch64     Ta Dv armv6/armv7
165 .El
166 .Dv aarch64
167 will support execution of
168 .Dv armv6
169 or
170 .Dv armv7
171 binaries if the CPU implements
172 .Dv AArch32
173 execution state, however
174 .Dv armv5
175 binaries aren't supported.
176 .Pp
177 On all supported architectures:
178 .Bl -column -offset -indent "long long" "Size"
179 .It Sy Type Ta Sy Size
180 .It short Ta 2
181 .It int Ta 4
182 .It long Ta sizeof(void*)
183 .It long long Ta 8
184 .It float Ta 4
185 .It double Ta 8
186 .El
187 Integers are represented in two's complement.
188 Alignment of integer and pointer types is natural, that is,
189 the address of the variable must be congruent to zero modulo the type size.
190 Most ILP32 ABIs, except
191 .Dv arm ,
192 require only 4-byte alignment for 64-bit integers.
193 .Pp
194 Machine-dependent type sizes:
195 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy void *" "Sy long double" "Sy time_t"
196 .It Sy Architecture Ta Sy void * Ta Sy long double Ta Sy time_t
197 .It aarch64     Ta 8 Ta 16 Ta 8
198 .It amd64       Ta 8 Ta 16 Ta 8
199 .It arm         Ta 4 Ta  8 Ta 8
200 .It armv6       Ta 4 Ta  8 Ta 8
201 .It i386        Ta 4 Ta 12 Ta 4
202 .It mips        Ta 4 Ta  8 Ta 8
203 .It mipsel      Ta 4 Ta  8 Ta 8
204 .It mipselhf    Ta 4 Ta  8 Ta 8
205 .It mipshf      Ta 4 Ta  8 Ta 8
206 .It mipsn32     Ta 4 Ta  8 Ta 8
207 .It mips64      Ta 8 Ta  8 Ta 8
208 .It mips64el    Ta 8 Ta  8 Ta 8
209 .It mips64elhf  Ta 8 Ta  8 Ta 8
210 .It mips64hf    Ta 8 Ta  8 Ta 8
211 .It powerpc     Ta 4 Ta  8 Ta 8
212 .It powerpcspe  Ta 4 Ta  8 Ta 8
213 .It powerpc64   Ta 8 Ta  8 Ta 8
214 .It riscv64     Ta 8 Ta 16 Ta 8
215 .It riscv64sf   Ta 8 Ta 16 Ta 8
216 .It sparc64     Ta 8 Ta 16 Ta 8
217 .El
218 .Pp
219 .Sy time_t
220 is 8 bytes on all supported architectures except i386.
221 .Ss Endianness and Char Signedness
222 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Endianness" "Sy char Signedness"
223 .It Sy Architecture Ta Sy Endianness Ta Sy char Signedness
224 .It aarch64     Ta little Ta unsigned
225 .It amd64       Ta little Ta   signed
226 .It arm         Ta little Ta unsigned
227 .It armv6       Ta little Ta unsigned
228 .It armv7       Ta little Ta unsigned
229 .It i386        Ta little Ta   signed
230 .It mips        Ta big    Ta   signed
231 .It mipsel      Ta little Ta   signed
232 .It mipselhf    Ta little Ta   signed
233 .It mipshf      Ta big    Ta   signed
234 .It mipsn32     Ta big    Ta   signed
235 .It mips64      Ta big    Ta   signed
236 .It mips64el    Ta little Ta   signed
237 .It mips64elhf  Ta little Ta   signed
238 .It mips64hf    Ta big    Ta   signed
239 .It powerpc     Ta big    Ta unsigned
240 .It powerpcspe  Ta big    Ta unsigned
241 .It powerpc64   Ta big    Ta unsigned
242 .It riscv64     Ta little Ta   signed
243 .It riscv64sf   Ta little Ta   signed
244 .It sparc64     Ta big    Ta   signed
245 .El
246 .Ss Page Size
247 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Page Sizes"
248 .It Sy Architecture Ta Sy Page Sizes
249 .It aarch64     Ta 4K, 2M, 1G
250 .It amd64       Ta 4K, 2M, 1G
251 .It arm         Ta 4K
252 .It armv6       Ta 4K, 1M
253 .It armv7       Ta 4K, 1M
254 .It i386        Ta 4K, 2M (PAE), 4M
255 .It mips        Ta 4K
256 .It mipsel      Ta 4K
257 .It mipselhf    Ta 4K
258 .It mipshf      Ta 4K
259 .It mipsn32     Ta 4K
260 .It mips64      Ta 4K
261 .It mips64el    Ta 4K
262 .It mips64elhf  Ta 4K
263 .It mips64hf    Ta 4K
264 .It powerpc     Ta 4K
265 .It powerpcspe  Ta 4K
266 .It powerpc64   Ta 4K
267 .It riscv64     Ta 4K
268 .It riscv64sf   Ta 4K
269 .It sparc64     Ta 8K
270 .El
271 .Ss Floating Point
272 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy float, double" "Sy long double"
273 .It Sy Architecture Ta Sy float, double Ta Sy long double
274 .It aarch64     Ta hard Ta soft, quad precision
275 .It amd64       Ta hard Ta hard, 80 bit
276 .It arm         Ta soft Ta soft, double precision
277 .It armv6       Ta hard Ta hard, double precision
278 .It armv7       Ta hard Ta hard, double precision
279 .It i386        Ta hard Ta hard, 80 bit
280 .It mips        Ta soft Ta identical to double
281 .It mipsel      Ta soft Ta identical to double
282 .It mipselhf    Ta hard Ta identical to double
283 .It mipshf      Ta hard Ta identical to double
284 .It mipsn32     Ta soft Ta identical to double
285 .It mips64      Ta soft Ta identical to double
286 .It mips64el    Ta soft Ta identical to double
287 .It mips64elhf  Ta hard Ta identical to double
288 .It mips64hf    Ta hard Ta identical to double
289 .It powerpc     Ta hard Ta hard, double precision
290 .It powerpcspe  Ta hard Ta hard, double precision
291 .It powerpc64   Ta hard Ta hard, double precision
292 .It riscv64     Ta hard Ta hard, double precision
293 .It riscv64sf   Ta soft Ta soft, double precision
294 .It sparc64     Ta hard Ta hard, quad precision
295 .El
296 .Ss Default Tool Chain
297 .Fx uses a variety of tool chain components for the supported CPU
298 architectures:
299 .Xr clang 1
300 and
301 .Xr ld.lld 1
302 provided by the base system,
303 GNU
304 .Xr gcc 1
305 and Binutils
306 .Xr ld 1 ,
307 or an external toolchain compiler and linker provided by a port or package.
308 This table shows the default tool chain for each architecture.
309 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Compiler" "Sy Linker"
310 .It Sy Architecture Ta Sy Compiler Ta Sy Linker
311 .It aarch64     Ta Clang     Ta lld
312 .It amd64       Ta Clang     Ta lld
313 .It arm         Ta Clang     Ta GNU ld 2.17.50
314 .It armv6       Ta Clang     Ta lld
315 .It armv7       Ta Clang     Ta lld
316 .It i386        Ta Clang     Ta lld
317 .It mips        Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
318 .It mipsel      Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
319 .It mipselhf    Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
320 .It mipshf      Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
321 .It mipsn32     Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
322 .It mips64      Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
323 .It mips64el    Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
324 .It mips64elhf  Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
325 .It mips64hf    Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
326 .It powerpc     Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
327 .It powerpcspe  Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
328 .It powerpc64   Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
329 .It riscv64     Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
330 .It riscv64sf   Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
331 .It sparc64     Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
332 .El
333 .Pp
334 (1) External toolchain provided by ports/packages.
335 .Pp
336 Note that GCC 4.2.1 is deprecated, and scheduled for removal on 2020-03-31.
337 Any CPU architectures not migrated by then
338 (to either base system Clang or external toolchain)
339 may be removed from the tree after that date.
340 Unless the make variable
341 .Dv MAKE_OBSOLETE_GCC
342 is defined, make universe will not build mips, powerpc, nor sparc64
343 architectures unless the xtoolchain binaries have been installed for
344 the architecture.
345 .Ss MACHINE_ARCH vs MACHINE_CPUARCH vs MACHINE
346 .Dv MACHINE_CPUARCH
347 should be preferred in Makefiles when the generic
348 architecture is being tested.
349 .Dv MACHINE_ARCH
350 should be preferred when there is something specific to a particular type of
351 architecture where there is a choice of many, or could be a choice of many.
352 Use
353 .Dv MACHINE
354 when referring to the kernel, interfaces dependent on a specific type of kernel
355 or similar things like boot sequences.
356 .Bl -column -offset indent "Dv MACHINE" "Dv MACHINE_CPUARCH" "Dv MACHINE_ARCH"
357 .It Dv MACHINE Ta Dv MACHINE_CPUARCH Ta Dv MACHINE_ARCH
358 .It arm64 Ta aarch64 Ta aarch64
359 .It amd64 Ta amd64 Ta amd64
360 .It arm Ta arm Ta arm, armv6, armv7
361 .It i386 Ta i386 Ta i386
362 .It mips Ta mips Ta mips, mipsel, mips64, mips64el, mipshf, mipselhf, mips64elhf, mipsn32
363 .It powerpc Ta powerpc Ta powerpc, powerpcspe, powerpc64
364 .It riscv Ta riscv Ta riscv64, riscv64sf
365 .It sparc64 Ta sparc64 Ta sparc64
366 .El
367 .Ss Predefined Macros
368 The compiler provides a number of predefined macros.
369 Some of these provide architecture-specific details and are explained below.
370 Other macros, including those required by the language standard, are not
371 included here.
372 .Pp
373 The full set of predefined macros can be obtained with this command:
374 .Bd -literal -offset indent
375 cc -x c -dM -E /dev/null
376 .Ed
377 .Pp
378 Common type size and endianness macros:
379 .Bl -column -offset indent "BYTE_ORDER" "Sy Meaning"
380 .It Sy Macro Ta Sy Meaning
381 .It Dv __LP64__ Ta 64-bit (8-byte) long and pointer, 32-bit (4-byte) int
382 .It Dv __ILP32__ Ta 32-bit (4-byte) int, long and pointer
383 .It Dv BYTE_ORDER Ta Either Dv BIG_ENDIAN or Dv LITTLE_ENDIAN .
384 .Dv PDP11_ENDIAN
385 is not used on
386 .Fx .
387 .El
388 .Pp
389 Architecture-specific macros:
390 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Predefined macros"
391 .It Sy Architecture Ta Sy Predefined macros
392 .It aarch64     Ta Dv __aarch64__
393 .It amd64       Ta Dv __amd64__, Dv __x86_64__
394 .It arm         Ta Dv __arm__
395 .It armv6       Ta Dv __arm__, Dv __ARM_ARCH >= 6
396 .It armv7       Ta Dv __arm__, Dv __ARM_ARCH >= 7
397 .It i386        Ta Dv __i386__
398 .It mips        Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_o32
399 .It mipsel      Ta Dv __mips__, Dv __mips_o32
400 .It mipselhf    Ta Dv __mips__, Dv __mips_o32
401 .It mipshf      Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_o32
402 .It mipsn32     Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n32
403 .It mips64      Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n64
404 .It mips64el    Ta Dv __mips__, Dv __mips_n64
405 .It mips64elhf  Ta Dv __mips__, Dv __mips_n64
406 .It mips64hf    Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n64
407 .It powerpc     Ta Dv __powerpc__
408 .It powerpcspe  Ta Dv __powerpc__, Dv __SPE__
409 .It powerpc64   Ta Dv __powerpc__, Dv __powerpc64__
410 .It riscv64     Ta Dv __riscv, Dv __riscv_xlen == 64
411 .It riscv64sf   Ta Dv __riscv, Dv __riscv_xlen == 64
412 .It sparc64     Ta Dv __sparc64__
413 .El
414 .Pp
415 Compilers may define additional variants of architecture-specific macros.
416 The macros above are preferred for use in
417 .Fx .
418 .Ss Important Xr make 1 variables
419 Most of the externally settable variables are defined in the
420 .Xr build 7
421 man page.
422 These variables are not otherwise documented and are used extensively
423 in the build system.
424 .Bl -column -offset indent "Sy Variable" "Sy Meaning and usage"
425 .It Dv MACHINE  Represent the hardware platform.
426 This is the same as the native platform's
427 .Xr uname 1
428 .Fl m
429 output.
430 It defines both the userland / kernel interface, as well as the
431 bootloader / kernel interface.
432 It should only be used in these contexts.
433 Each CPU architecture may have multiple hardware platforms it supports
434 where
435 .Dv MACHINE
436 differs among them.
437 It is used to collect together all the files from
438 .Xr config 8
439 to build the kernel.
440 It is often the same as
441 .Dv MACHINE_ARCH
442 just as one CPU architecture can be implemented by many different
443 hardware platforms, one hardware platform may support multiple CPU
444 architecture family members, though with different binaries.
445 For example,
446 .Dv MACHINE
447 of i386 supported the IBM-AT hardware platform while the
448 .Dv MACHINE
449 of pc98 supported the Japanese company NEC's PC-9801 and PC-9821
450 hardware platforms.
451 Both of these hardware platforms supported only the
452 .Dv MACHINE_ARCH
453 of i386 where they shared a common ABI, except for certain kernel /
454 userland interfaces relating to underlying hardware platform
455 differences in bus architecture, device enumeration and boot interface.
456 Generally,
457 .Dv MACHINE
458 should only be used in src/sys and src/stand or in system imagers or
459 installers.
460 .It Dv MACHINE_ARCH     Represents the CPU processor architecture.
461 This is the same as the native platforms
462 .Xr uname 1
463 .Fl p
464 output.
465 It defines the CPU instruction family supported.
466 It may also encode a variation in the byte ordering of multi-byte
467 integers (endian).
468 It may also encode a variation in the size of the integer or pointer.
469 It may also encode a ISA revision.
470 It may also encode hard versus soft floating point ABI and usage.
471 It may also encode a variant ABI when the other factors do not
472 uniquely define the ABI (e.g., MIPS' n32 ABI).
473 It, along with
474 .Dv MACHINE ,
475 defines the ABI used by the system.
476 For example, the MIPS CPU processor family supports 9 different
477 combinations encoding pointer size, endian and hard versus soft float (for
478 8 combinations) as well as N32 (which only ever had one variation of
479 all these).
480 Generally, the plain CPU name specifies the most common (or at least
481 first) variant of the CPU.
482 This is why mips and mips64 imply 'big endian' while 'arm' and 'armv7'
483 imply little endian.
484 If we ever were to support the so-called x32 ABI (using 32-bit
485 pointers on the amd64 architecture), it would most likely be encoded
486 as amd64-x32.
487 It is unfortunate that amd64 specifies the 64-bit evolution of the x86
488 platform (it matches the 'first rule') as everybody else uses x86_64.
489 There is no standard name for the processor: each OS selects its own
490 conventions.
491 .It Dv MACHINE_CPUARCH  Represents the source location for a given
492 .Dv MACHINE_ARCH .
493 It is generally the common prefix for all the MACHINE_ARCH that
494 share the same implementation, though 'riscv' breaks this rule.
495 For example,
496 .Dv MACHINE_CPUARCH
497 is defined to be mips for all the flavors of mips that we support
498 since we support them all with a shared set of sources.
499 While amd64 and i386 are closely related, MACHINE_CPUARCH is not x86
500 for them.
501 The FreeBSD source base supports amd64 and i386 with two
502 distinct source bases living in subdirectories named amd64 and i386
503 (though behind the scenes there's some sharing that fits into this
504 framework).
505 .It Dv CPUTYPE  Sets the flavor of
506 .Dv MACHINE_ARCH
507 to build.
508 It is used to optimize the build for a specific CPU / core that the
509 binaries run on.
510 Generally, this does not change the ABI, though it can be a fine line
511 between optimization for specific cases.
512 .It Dv TARGET   Used to set
513 .Dv MACHINE
514 in the top level Makefile for cross building.
515 Unused outside of that scope.
516 It is not passed down to the rest of the build.
517 Makefiles outside of the top level should not use it at all (though
518 some have their own private copy for hysterical raisons).
519 .It Dv TARGET_ARCH      Used to set
520 .Dv MACHINE_ARCH
521 by the top level Makefile for cross building.
522 Like
523 .Dv TARGET , it is unused outside of that scope.
524 .El
525 .Sh SEE ALSO
526 .Xr src.conf 5 ,
527 .Xr build 7
528 .Sh HISTORY
529 An
530 .Nm
531 manual page appeared in
532 .Fx 11.1 .