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新ARM處理器架構(gòu)

2011年11月，ARM公司發(fā)布了新一代處理器架構(gòu)ARMv8的部分技術(shù)細(xì)節(jié)。這是ARM公司的首款支持64位指令集的處理器架構(gòu)。由于ARM處理器的授權(quán)內(nèi)核被廣泛用于手機(jī)等諸多電子產(chǎn)品，故ARMv8架構(gòu)作為下一代處理器的核心技術(shù)而受到普遍關(guān)注。ARM將在2012年間推出基于ARMv8架構(gòu)的處理器內(nèi)核并開始授權(quán)，而面向消費(fèi)者和企業(yè)的樣機(jī)于2013年由蘋果的A7處理器上首次運(yùn)用。

ARM-v8是在32位ARM架構(gòu)上進(jìn)行開發(fā)的，將被首先用于對擴(kuò)展虛擬地址和64位數(shù)據(jù)處理技術(shù)有更高要求的產(chǎn)品領(lǐng)域，如企業(yè)應(yīng)用、高檔消費(fèi)電子產(chǎn)品。

ARMv8架構(gòu)包含兩個(gè)執(zhí)行狀態(tài)：AArch64和AArch32。AArch64執(zhí)行狀態(tài)針對64位處理技術(shù)，引入了一個(gè)全新指令集A64;而AArch32執(zhí)行狀態(tài)將支持現(xiàn)有的ARM指令集。目前的ARMv7架構(gòu)的主要特性都將在ARMv8架構(gòu)中得以保留或進(jìn)一步拓展，如：TrustZone技術(shù)、虛擬化技術(shù)及NEON advanced SIMD技術(shù)，等。

配合ARMv8架構(gòu)的推出，ARM正在努力確保一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)來支持64位指令集。ARM的主要合作伙伴已經(jīng)能夠獲得支持ARM-v8架構(gòu)的ARM編譯器和快速模型(Fast Model)。在新架構(gòu)的支持下，對一系列開源操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和第三方工具的初始開發(fā)已經(jīng)在開展中。通過合作，ARM合作伙伴們共同加速64位生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)，在許多情況下，這可視為是對現(xiàn)有支持基于ARMv7架構(gòu)產(chǎn)品的廣泛生態(tài)系統(tǒng)的自然延伸。

ARM-v8架構(gòu)屬于64位架構(gòu)，向下兼容ARM-v7架構(gòu)。ARM-v8架構(gòu)支持兩種類型的ARM指令集，一種是Aarch64位指令集，一種是Aarch32位指令集。不管是那種類型的指令集，每條指令依然都是字(4字節(jié))對齊。兩種類型指令集的本質(zhì)區(qū)別是工作寄存器的位數(shù)不同，Aarch32位指令集使用32bit工作寄存器，而Aarch64位指令集使用64bit工作寄存器。

ARMv8 提供AArch32 state和 AArch64 state 兩種Execution State，下面是兩種Execution State對比.

Execution State	Note
AArch32	提供13個(gè)32bit通用寄存器R0-R12，一個(gè)32bit PC指針 (R15)、堆棧指針SP (R13)、鏈接寄存器LR (R14)
	提供一個(gè)32bit異常鏈接寄存器ELR, 用于Hyp mode下的異常返回
	提供32個(gè)64bit SIMD向量和標(biāo)量floating-point支持
	提供兩個(gè)指令集A32（32bit）、T32（16/32bit）
	兼容ARMv7的異常模型
	協(xié)處理器只支持CP10\CP11\CP14\CP15
AArch64	提供31個(gè)64bit通用寄存器X0-X30（W0-W30），其中X30是程序鏈接寄存器LR
	提供一個(gè)64bit PC指針、堆棧指針SPx 、異常鏈接寄存器ELRx
	提供32個(gè)128bit SIMD向量和標(biāo)量floating-point支持
	定義ARMv8異常等級ELx（x<4）,x越大等級越高，權(quán)限越大
	定義一組PE state寄存器PSTATE（NZCV/DAIF/CurrentEL/SPSel等），用于保存PE當(dāng)前的狀態(tài)信息
	沒有協(xié)處理器概念

AArch32重要寄存器

寄存器類型	Bit	描述
R0-R14	32bit	通用寄存器，但是ARM不建議使用有特殊功能的R13，R14，R15當(dāng)做通用寄存器使用.
SP_x	32bit	通常稱R13為堆棧指針，除了User和Sys模式外，其他各種模式下都有對應(yīng)的SP_x寄存器：x ={ und/svc/abt/irq/fiq/hyp/mon}
LR_x	32bit	稱R14為鏈接寄存器，除了User和Sys模式外，其他各種模式下都有對應(yīng)的SP_x寄存器：x ={ und/svc/abt/svc/irq/fiq/mon},用于保存程序返回鏈接信息地址，AArch32環(huán)境下，也用于保存異常返回地址，也就說LR和ELR是公用一個(gè)，AArch64下是獨(dú)立的.
ELR_hyp	32bit	Hyp mode下特有的異常鏈接寄存器，保存異常進(jìn)入Hyp mode時(shí)的異常地址
PC	32bit	通常稱R15為程序計(jì)算器PC指針，AArch32 中PC指向取指地址，是執(zhí)行指令地址+8，AArch64中PC讀取時(shí)指向當(dāng)前指令地址.
CPSR	32bit	記錄當(dāng)前PE的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),CPSR.M[4:0]記錄運(yùn)行模式，AArch64下使用PSTATE代替
APSR	32bit	應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器，EL0下可以使用APSR訪問部分PSTATE值
SPSR_x	32bit	是CPSR的備份，除了User和Sys模式外，其他各種模式下都有對應(yīng)的SPSR_x寄存器：x ={ und/svc/abt/irq/fiq/hpy/mon}，注意：這些模式只適用于32bit運(yùn)行環(huán)境
HCR	32bit	EL2特有，HCR.{TEG,AMO,IMO,FMO,RW}控制EL0/EL1的異常路由
SCR	32bit	EL3特有，SCR.{EA,IRQ,FIQ,RW}控制EL0/EL1/EL2的異常路由，注意EL3始終不會(huì)路由
VBAR	32bit	保存任意異常進(jìn)入非Hyp mode & 非Monitor mode的跳轉(zhuǎn)向量基地址
HVBAR	32bit	保存任意異常進(jìn)入Hyp mode的跳轉(zhuǎn)向量基地址
MVBAR	32bit	保存任意異常進(jìn)入Monitor mode的跳轉(zhuǎn)向量基地址
ESR_ELx	32bit	保存異常進(jìn)入ELx時(shí)的異常綜合信息，包含異常類型EC等，可以通過EC值判斷異常class
PSTATE		不是一個(gè)寄存器，是保存當(dāng)前PE狀態(tài)的一組寄存器統(tǒng)稱，其中可訪問寄存器有：PSTATE.{NZCV,DAIF,CurrentEL,SPSel},屬于ARMv8新增內(nèi)容，主要用于64bit環(huán)境下

A32狀態(tài)下寄存器組織

• 所謂的banked register 是指一個(gè)寄存器在不同模式下有對應(yīng)不同的寄存器，比如SP，在abort模式下是SP_bat，在Und模式是SP_und,在iqr模式下是SP_irq等，進(jìn)入各種模式后會(huì)自動(dòng)切換映射到各個(gè)模式下對應(yīng)的寄存器.

• R0-R7是所謂的非banked register，R8-R14是所謂的banked register

4.1.1 T32狀態(tài)下寄存器組織

A32使用 Rd/Rn編碼位寬4位	T32-32bit使用 Rd/Rn編碼位寬4位	T32-16bit使用 Rd/Rn編碼位寬3位
R0	R0	R0
R1	R1	R1
R2	R2	R2
R3	R3	R3
R4	R4	R4
R5	R5	R5
R6	R6	R6
R7	R7	R7
R8	R8	并不是說T32-16bit下沒有R8～R12，而是有限的指令才能訪問到,16bit指令的Rd/Rn編碼位只有3位，所以Rx范圍是R0-R7
R9	R9
R10	R10
R11	R11
R12	R12
SP (R13)	SP (R13)	SP (R13)
LR (R14)	LR (R14) //M	LR (R14) //M
PC (R15)	PC (R15) //P	PC (R15) //P
CPSR	CPSR	CPSR
SPSR	SPSR	SPSR

AArch64重要寄存器

寄存器類型	Bit	描述
X0-X30	64bit	通用寄存器，如果有需要可以當(dāng)做32bit使用：WO-W30
LR (X30)	64bit	通常稱X30為程序鏈接寄存器，保存跳轉(zhuǎn)返回信息地址
SP_ELx	64bit	若PSTATE.M[0] ==1，則每個(gè)ELx選擇SP_ELx，否則選擇同一個(gè)SP_EL0
ELR_ELx	64bit	異常鏈接寄存器，保存異常進(jìn)入ELx的異常地址（x={0,1,2,3}）
PC	64bit	程序計(jì)數(shù)器，俗稱PC指針，總是指向即將要執(zhí)行的下一條指令
SPSR_ELx	32bit	寄存器，保存進(jìn)入ELx的PSTATE狀態(tài)信息
NZCV	32bit	允許訪問的符號標(biāo)志位
DIAF	32bit	中斷使能位：D-Debug，I-IRQ，A-SError，F(xiàn)-FIQ ，邏輯0允許
CurrentEL	32bit	記錄當(dāng)前處于哪個(gè)Exception level
SPSel	32bit	記錄當(dāng)前使用SP_EL0還是SP_ELx，x= {1,2,3}
HCR_EL2	32bit	HCR_EL2.{TEG,AMO,IMO,FMO,RW}控制EL0/EL1的異常路由 邏輯1允許
SCR_EL3	32bit	SCR_EL3.{EA,IRQ,FIQ,RW}控制EL0/EL1/EL2的異常路由  邏輯1允許
ESR_ELx	32bit	保存異常進(jìn)入ELx時(shí)的異常綜合信息，包含異常類型EC等.
VBAR_ELx	64bit	保存任意異常進(jìn)入ELx的跳轉(zhuǎn)向量基地址 x={0,1,2,3}
PSTATE		不是一個(gè)寄存器，是保存當(dāng)前PE狀態(tài)的一組寄存器統(tǒng)稱，其中可訪問寄存器有：PSTATE.{NZCV,DAIF,CurrentEL,SPSel},屬于ARMv8新增內(nèi)容,64bit下代替CPSR

64、32位寄存器的映射關(guān)系

64-bit	32-bit	64-bit OS Runing AArch32 App	64-bit	32-bit
X0	R0		X20	LR_adt
X1	R1		X21	SP_abt
X2	R2		X22	LR_und
X3	R3		X23	SP_und
X4	R4		X24	R8_fiq
X5	R5		X25	R9_fiq
X6	R6		X26	R10_fiq
X7	R7		X27	R11_fiq
X8	R8_usr		X28	R12_fiq
X9	R9_usr		X29	SP_fiq
X10	R10_usr		X30(LR)	LR_fiq
X11	R11_usr		SCR_EL3	SCR
X12	R12_usr		HCR_EL2	HCR
X13	SP_usr		VBAR_EL1	VBAR
X14	LR_usr		VBAR_EL2	HVBAR
X15	SP_hyp		VBAR_EL3	MVBAR
X16	LR_irq		ESR_EL1	DFSR
X17	SP_irq		ESR_EL2	HSR
X18	LR_svc
X19	SP_svc

ARMv8指令集

• A64指令集

• A32 & T32指令集

• 指令編碼基本格式

<Opcode>{<Cond>}<S>  <Rd>, <Rn> {,<Opcode2>}

• 其中尖括號是必須的，花括號是可選的

• A32： Rd => {R0–R14}

• A64： Rd =>Xt => {X0–X30}

標(biāo)識符	Note
Opcode	操作碼，也就是助記符，說明指令需要執(zhí)行的操作類型
Cond	指令執(zhí)行條件碼，在編碼中占4bit，0b0000 -0b1110
S	條件碼設(shè)置項(xiàng),決定本次指令執(zhí)行是否影響PSTATE寄存器響應(yīng)狀態(tài)位值
Rd/Xt	目標(biāo)寄存器，A32指令可以選擇R0-R14,T32指令大部分只能選擇RO-R7，A64指令可以選擇X0-X30 or W0-W30
Rn/Xn	第一個(gè)操作數(shù)的寄存器，和Rd一樣，不同指令有不同要求
Opcode2	第二個(gè)操作數(shù)，可以是立即數(shù)，寄存器Rm和寄存器移位方式（Rm，#shit）

指令分類

類型	Note
• 跳轉(zhuǎn)指令	條件跳轉(zhuǎn)、無條件跳轉(zhuǎn)（#imm、register）指令
• 異常產(chǎn)生指令	系統(tǒng)調(diào)用類指令（SVC、HVC、SMC）
• 系統(tǒng)寄存器指令	讀寫系統(tǒng)寄存器，如 ：MRS、MSR指令 可操作PSTATE的位段寄存器
• 數(shù)據(jù)處理指令	包括各種算數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、位操作、移位(shift)指令
• load/store 內(nèi)存訪問指令	load/store {批量寄存器、單個(gè)寄存器、一對寄存器、非-暫存、非特權(quán)、獨(dú)占}以及l(fā)oad-Acquire、store-Release指令 （A64沒有LDM/STM指令）
• 協(xié)處理指令	A64沒有協(xié)處理器指令

A64指令集

• A64指令編碼寬度固定32bit

• 31個(gè)（X0-X30）個(gè)64bit通用用途寄存器（用作32bit時(shí)是W0-W30），寄存器名使用5bit編碼

• PC指針不能作為數(shù)據(jù)處理指或load指令的目的寄存器，X30通常用作LR

• 移除了批量加載寄存器指令 LDM/STM, PUSH/POP, 使用STP/LDP 一對加載寄存器指令代替

• 增加支持未對齊的load/store指令立即數(shù)偏移尋址，提供非-暫存LDNP/STNP指令，不需要hold數(shù)據(jù)到cache中

• 沒有提供訪問CPSR的單一寄存器，但是提供訪問PSTATE的狀態(tài)域寄存器

• 相比A32少了很多條件執(zhí)行指令，只有條件跳轉(zhuǎn)和少數(shù)數(shù)據(jù)處理這類指令才有條件執(zhí)行.

• 支持48bit虛擬尋址空間

• 大部分A64指令都有32/64位兩種形式

• A64沒有協(xié)處理器的概念

指令助記符

整型
W/R	32bit整數(shù)
X	64bit整數(shù)
加載/存儲、符號-0擴(kuò)展
B	無符號8bit字節(jié)
SB	帶符號8bit字節(jié)
H	無符號16bit半字
SH	帶符號16bit半字
W	無符號32bit字
SW	帶符號32bit字
P	Pair（一對）
寄存器寬度改變
H	高位（dst gets top half）
N	有限位（dst < src）
L	Long （dst > src）
W	Wide (dst==src1,src1>src2) ？

指令條件碼

編碼	助記符	描述	標(biāo)記
0000	EQ	運(yùn)算結(jié)果相等為1	Z==1
0001	NE	運(yùn)算結(jié)果不等為0	Z==0
0010	HS/CS	無符號高或者相同進(jìn)位，發(fā)生進(jìn)位為1	C==1
0011	LO/CC	無符號低清零，發(fā)生借位為0	C==0
0100	MI	負(fù)數(shù)為1	N==1
0101	PL	非負(fù)數(shù)0	N==0
0110	VS	有符號溢出為1	V==1
0111	VC	沒用溢出為0	V==0
1000	HI	無符號 >	C==1 && Z==0
1001	LS	無符號 <=	!(C==1 && Z==0)
1010	GE	帶符號 >=	N==V
1011	LT	帶符號 <	N!=V
1100	GT	帶符號 >	Z==0 && N==V
1101	LE	帶符號 <=	!( Z==0 && N==V)
1110	AL	無條件執(zhí)行	Any