share/man/man7/arch.7

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   2 .\"
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   4 .\" The FreeBSD Foundation.
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   8 .\" are met:
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  14 .\"
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  19 .\" FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  20 .\" DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  21 .\" OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  22 .\" HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  23 .\" LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  24 .\" OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  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 10.0
  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(1) Ta hard, double precision
 278 .It armv7       Ta hard(1) 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 .Pp
 297 (1) Prior to
 298 .Fx 11.0 ,
 299 armv6 used the softfp ABI even though it supported only processors
 300 with a floating point unit.
 301 .Ss Default Tool Chain
 302 .Fx uses a variety of tool chain components for the supported CPU
 303 architectures:
 304 .Xr clang 1
 305 and
 306 .Xr ld.lld 1
 307 provided by the base system,
 308 GNU
 309 .Xr gcc 1
 310 and Binutils
 311 .Xr ld 1 ,
 312 or an external toolchain compiler and linker provided by a port or package.
 313 This table shows the default tool chain for each architecture.
 314 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Compiler" "Sy Linker"
 315 .It Sy Architecture Ta Sy Compiler Ta Sy Linker
 316 .It aarch64     Ta Clang     Ta lld
 317 .It amd64       Ta Clang     Ta lld
 318 .It arm         Ta Clang     Ta GNU ld 2.17.50
 319 .It armv6       Ta Clang     Ta lld
 320 .It armv7       Ta Clang     Ta lld
 321 .It i386        Ta Clang     Ta lld
 322 .It mips        Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 323 .It mipsel      Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 324 .It mipselhf    Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 325 .It mipshf      Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 326 .It mipsn32     Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 327 .It mips64      Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 328 .It mips64el    Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 329 .It mips64elhf  Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 330 .It mips64hf    Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 331 .It powerpc     Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 332 .It powerpcspe  Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 333 .It powerpc64   Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 334 .It riscv64     Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 335 .It riscv64sf   Ta GCC(1)    Ta GNU ld(1)
 336 .It sparc64     Ta GCC 4.2.1 Ta GNU ld 2.17.50
 337 .El
 338 .Pp
 339 (1) External toolchain provided by ports/packages.
 340 .Pp
 341 Note that GCC 4.2.1 is deprecated, and scheduled for removal on 2020-03-31.
 342 Any CPU architectures not migrated by then
 343 (to either base system Clang or external toolchain)
 344 may be removed from the tree after that date.
 345 Unless the make variable
 346 .Dv MAKE_OBSOLETE_GCC
 347 is defined, make universe will not build mips, powerpc, nor sparc64
 348 architectures unless the xtoolchain binaries have been installed for
 349 the architecture.
 350 .Ss MACHINE_ARCH vs MACHINE_CPUARCH
 351 .Dv MACHINE_CPUARCH
 352 should be preferred in Makefiles when the generic
 353 architecture is being tested.
 354 .Dv MACHINE_ARCH
 355 should be preferred when there is something specific to a particular type of
 356 architecture where there is a choice of many, or could be a choice of many.
 357 .Bl -column -offset indent "Dv MACHINE" "Dv MACHINE_CPUARCH" "Dv MACHINE_ARCH"
 358 .It Dv MACHINE Ta Dv MACHINE_CPUARCH Ta Dv MACHINE_ARCH
 359 .It arm64 Ta aarch64 Ta aarch64
 360 .It amd64 Ta amd64 Ta amd64
 361 .It arm Ta arm Ta arm, armv6, armv7
 362 .It i386 Ta i386 Ta i386
 363 .It mips Ta mips Ta mips, mipsel, mips64, mips64el, mipshf, mipselhf, mips64elhf, mipsn32
 364 .It powerpc Ta powerpc Ta powerpc, powerpcspe, powerpc64
 365 .It riscv Ta riscv Ta riscv64, riscv64sf
 366 .It sparc64 Ta sparc64 Ta sparc64
 367 .El
 368 .Ss Predefined Macros
 369 The compiler provides a number of predefined macros.
 370 Some of these provide architecture-specific details and are explained below.
 371 Other macros, including those required by the language standard, are not
 372 included here.
 373 .Pp
 374 The full set of predefined macros can be obtained with this command:
 375 .Bd -literal -offset indent
 376 cc -x c -dM -E /dev/null
 377 .Ed
 378 .Pp
 379 Common type size and endianness macros:
 380 .Bl -column -offset indent "BYTE_ORDER" "Sy Meaning"
 381 .It Sy Macro Ta Sy Meaning
 382 .It Dv __LP64__ Ta 64-bit (8-byte) long and pointer, 32-bit (4-byte) int
 383 .It Dv __ILP32__ Ta 32-bit (4-byte) int, long and pointer
 384 .It Dv BYTE_ORDER Ta Either Dv BIG_ENDIAN or Dv LITTLE_ENDIAN .
 385 .Dv PDP11_ENDIAN
 386 is not used on
 387 .Fx .
 388 .El
 389 .Pp
 390 Architecture-specific macros:
 391 .Bl -column -offset indent "Sy Architecture" "Sy Predefined macros"
 392 .It Sy Architecture Ta Sy Predefined macros
 393 .It aarch64     Ta Dv __aarch64__
 394 .It amd64       Ta Dv __amd64__, Dv __x86_64__
 395 .It arm         Ta Dv __arm__
 396 .It armv6       Ta Dv __arm__, Dv __ARM_ARCH >= 6
 397 .It armv7       Ta Dv __arm__, Dv __ARM_ARCH >= 7
 398 .It i386        Ta Dv __i386__
 399 .It mips        Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_o32
 400 .It mipsel      Ta Dv __mips__, Dv __mips_o32
 401 .It mipselhf    Ta Dv __mips__, Dv __mips_o32
 402 .It mipshf      Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_o32
 403 .It mipsn32     Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n32
 404 .It mips64      Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n64
 405 .It mips64el    Ta Dv __mips__, Dv __mips_n64
 406 .It mips64elhf  Ta Dv __mips__, Dv __mips_n64
 407 .It mips64hf    Ta Dv __mips__, Dv __MIPSEB__, Dv __mips_n64
 408 .It powerpc     Ta Dv __powerpc__
 409 .It powerpcspe  Ta Dv __powerpc__, Dv __SPE__
 410 .It powerpc64   Ta Dv __powerpc__, Dv __powerpc64__
 411 .It riscv64     Ta Dv __riscv, Dv __riscv_xlen == 64
 412 .It riscv64sf   Ta Dv __riscv, Dv __riscv_xlen == 64
 413 .It sparc64     Ta Dv __sparc64__
 414 .El
 415 .Pp
 416 Compilers may define additional variants of architecture-specific macros.
 417 The macros above are preferred for use in
 418 .Fx .
 419 .Ss Important Xr make 1 variables
 420 Most of the externally settable variables are defined in the
 421 .Xr build 7
 422 man page.
 423 These variables are not otherwise documented and are used extensively
 424 in the build system.
 425 .Bl -column -offset indent "Sy Variable" "Sy Meaning and usage"
 426 .It Dv MACHINE  Represent the hardware platform.
 427 This is the same as the native platform's
 428 .Xr uname 1
 429 .Fl m
 430 output.
 431 It defines both the userland / kernel interface, as well as the
 432 bootloader / kernel interface.
 433 It should only be used in these contexts.
 434 Each CPU architecture may have multiple hardware platforms it supports
 435 where
 436 .Dv MACHINE
 437 differs among them.
 438 It is used to collect together all the files from
 439 .Xr config 8
 440 to build the kernel.
 441 It is often the same as
 442 .Dv MACHINE_ARCH
 443 just as one CPU architecture can be implemented by many different
 444 hardware platforms, one hardware platform may support multiple CPU
 445 architecture family members, though with different binaries.
 446 For example,
 447 .Dv MACHINE
 448 of i386 supported the IBM-AT hardware platform while the
 449 .Dv MACHINE
 450 of pc98 supported the Japanese company NEC's PC-9801 and PC-9821
 451 hardware platforms.
 452 Both of these hardware platforms supported only the
 453 .Dv MACHINE_ARCH
 454 of i386 where they shared a common ABI, except for certain kernel /
 455 userland interfaces relating to underlying hardware platform
 456 differences in bus architecture, device enumeration and boot interface.
 457 Generally,
 458 .Dv MACHINE
 459 should only be used in src/sys and src/stand or in system imagers or
 460 installers.
 461 .It Dv MACHINE_ARCH     Represents the CPU processor architecture.
 462 This is the same as the native platforms
 463 .Xr uname 1
 464 .Fl p
 465 output.
 466 It defines the CPU instruction family supported.
 467 It may also encode a variation in the byte ordering of multi-byte
 468 integers (endian).
 469 It may also encode a variation in the size of the integer or pointer.
 470 It may also encode a ISA revision.
 471 It may also encode hard versus soft floating point ABI and usage.
 472 It may also encode a variant ABI when the other factors do not
 473 uniquely define the ABI (e.g., MIPS' n32 ABI).
 474 It, along with
 475 .Dv MACHINE ,
 476 defines the ABI used by the system.
 477 For example, the MIPS CPU processor family supports 9 different
 478 combinations encoding pointer size, endian and hard versus soft float (for
 479 8 combinations) as well as N32 (which only ever had one variation of
 480 all these).
 481 Generally, the plain CPU name specifies the most common (or at least
 482 first) variant of the CPU.
 483 This is why mips and mips64 imply 'big endian' while 'arm' and 'armv7'
 484 imply little endian.
 485 If we ever were to support the so-called x32 ABI (using 32-bit
 486 pointers on the amd64 architecture), it would most likely be encoded
 487 as amd64-x32.
 488 It is unfortunate that amd64 specifies the 64-bit evolution of the x86
 489 platform (it matches the 'first rule') as everybody else uses x86_64.
 490 There is no standard name for the processor: each OS selects its own
 491 conventions.
 492 .It Dv MACHINE_CPUARCH  Represents the source location for a given
 493 .Dv MACHINE_ARCH .
 494 It is generally the common prefix for all the MACHINE_ARCH that
 495 share the same implementation, though 'riscv' breaks this rule.
 496 For example,
 497 .Dv MACHINE_CPUARCH
 498 is defined to be mips for all the flavors of mips that we support
 499 since we support them all with a shared set of sources.
 500 While amd64 and i386 are closely related, MACHINE_CPUARCH is not x86
 501 for them.
 502 The FreeBSD source base supports amd64 and i386 with two
 503 distinct source bases living in subdirectories named amd64 and i386
 504 (though behind the scenes there's some sharing that fits into this
 505 framework).
 506 .It Dv CPUTYPE  Sets the flavor of
 507 .Dv MACHINE_ARCH
 508 to build.
 509 It is used to optimize the build for a specific CPU / core that the
 510 binaries run on.
 511 Generally, this does not change the ABI, though it can be a fine line
 512 between optimization for specific cases.
 513 .It Dv TARGET   Used to set
 514 .Dv MACHINE
 515 in the top level Makefile for cross building.
 516 Unused outside of that scope.
 517 It is not passed down to the rest of the build.
 518 Makefiles outside of the top level should not use it at all (though
 519 some have their own private copy for hysterical raisons).
 520 .It Dv TARGET_ARCH      Used to set
 521 .Dv MACHINE_ARCH
 522 by the top level Makefile for cross building.
 523 Like
 524 .Dv TARGET , it is unused outside of that scope.
 525 .El
 526 .Sh SEE ALSO
 527 .Xr src.conf 5 ,
 528 .Xr build 7
 529 .Sh HISTORY
 530 An
 531 .Nm
 532 manual page appeared in
 533 .Fx 11.1 .