新ARM處理器架構
時間：2018-08-09 來源：未知
2011年11月，ARM公司發布了新一代處理器架構ARMv8的部分技術細節。這是ARM公司的首款支持64位指令集的處理器架構。由于ARM處理器的授權內核被廣泛用于手機等諸多電子產品，故ARMv8架構作為下一代處理器的核心技術而受到普遍關注。ARM將在2012年間推出基于ARMv8架構的處理器內核并開始授權，而面向消費者和企業的樣機于2013年由蘋果的A7處理器上首次運用。
ARM-v8是在32位ARM架構上進行開發的，將被首先用于對擴展虛擬地址和64位數據處理技術有更高要求的產品領域，如企業應用、高檔消費電子產品。
ARMv8架構包含兩個執行狀態：AArch64和AArch32。AArch64執行狀態針對64位處理技術，引入了一個全新指令集A64;而AArch32執行狀態將支持現有的ARM指令集。目前的ARMv7架構的主要特性都將在ARMv8架構中得以保留或進一步拓展，如：TrustZone技術、虛擬化技術及NEON advanced SIMD技術，等。
配合ARMv8架構的推出，ARM正在努力確保一個強大的設計生態系統來支持64位指令集。ARM的主要合作伙伴已經能夠獲得支持ARM-v8架構的ARM編譯器和快速模型(Fast Model)。在新架構的支持下，對一系列開源操作系統、應用程序和第三方工具的初始開發已經在開展中。通過合作，ARM合作伙伴們共同加速64位生態系統的開發，在許多情況下，這可視為是對現有支持基于ARMv7架構產品的廣泛生態系統的自然延伸。
ARM-v8架構屬于64位架構，向下兼容ARM-v7架構。ARM-v8架構支持兩種類型的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)對齊。兩種類型指令集的本質區別是工作寄存器的位數不同，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32bit通用寄存器R0-R12，一個32bit PC指針 (R15)、堆棧指針SP (R13)、鏈接寄存器LR (R14) |
| 提供一個32bit異常鏈接寄存器ELR, 用于Hyp mode下的異常返回 | |
| 提供32個64bit SIMD向量和標量floating-point支持 | |
| 提供兩個指令集A32（32bit）、T32（16/32bit） | |
| 兼容ARMv7的異常模型 | |
| 協處理器只支持CP10\CP11\CP14\CP15 | |
|
AArch64 |
提供31個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64bit PC指針、堆棧指針SPx 、異常鏈接寄存器ELRx | |
| 提供32個128bit SIMD向量和標量floating-point支持 | |
| 定義ARMv8異常等級ELx（x<4）,x越大等級越高，權限越大 | |
| 定義一組PE state寄存器PSTATE（NZCV/DAIF/CurrentEL/SPSel等），用于保存PE當前的狀態信息 | |
| 沒有協處理器概念 |
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環境下，也用于保存異常返回地址，也就說LR和ELR是公用一個，AArch64下是獨立的. |
| ELR_hyp | 32bit | Hyp mode下特有的異常鏈接寄存器，保存異常進入Hyp mode時的異常地址 |
| PC | 32bit | 通常稱R15為程序計算器PC指針，AArch32 中PC指向取指地址，是執行指令地址+8，AArch64中PC讀取時指向當前指令地址. |
| CPSR | 32bit | 記錄當前PE的運行狀態數據,CPSR.M[4:0]記錄運行模式，AArch64下使用PSTATE代替 |
| APSR | 32bit | 應用程序狀態寄存器，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運行環境 |
| 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始終不會路由 |
| VBAR | 32bit | 保存任意異常進入非Hyp mode & 非Monitor mode的跳轉向量基地址 |
| HVBAR | 32bit | 保存任意異常進入Hyp mode的跳轉向量基地址 |
| MVBAR | 32bit | 保存任意異常進入Monitor mode的跳轉向量基地址 |
| ESR_ELx | 32bit | 保存異常進入ELx時的異常綜合信息，包含異常類型EC等，可以通過EC值判斷異常class |
| PSTATE | 不是一個寄存器，是保存當前PE狀態的一組寄存器統稱，其中可訪問寄存器有：PSTATE.{NZCV,DAIF,CurrentEL,SPSel},屬于ARMv8新增內容，主要用于64bit環境下 |
A32狀態下寄存器組織
• 所謂的banked register 是指一個寄存器在不同模式下有對應不同的寄存器，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，進入各種模式后會自動切換映射到各個模式下對應的寄存器.
• 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，保存跳轉返回信息地址 |
| SP_ELx | 64bit | 若PSTATE.M[0] ==1，則每個ELx選擇SP_ELx，否則選擇同一個SP_EL0 |
| ELR_ELx | 64bit | 異常鏈接寄存器，保存異常進入ELx的異常地址（x={0,1,2,3}） |
| PC | 64bit | 程序計數器，俗稱PC指針，總是指向即將要執行的下一條指令 |
| SPSR_ELx | 32bit | 寄存器，保存進入ELx的PSTATE狀態信息 |
| NZCV | 32bit | 允許訪問的符號標志位 |
| DIAF | 32bit | 中斷使能位：D-Debug，I-IRQ，A-SError，F-FIQ ，邏輯0允許 |
| CurrentEL | 32bit | 記錄當前處于哪個Exception level |
| SPSel | 32bit | 記錄當前使用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 | 保存異常進入ELx時的異常綜合信息，包含異常類型EC等. |
| VBAR_ELx | 64bit | 保存任意異常進入ELx的跳轉向量基地址 x={0,1,2,3} |
| PSTATE | 不是一個寄存器，是保存當前PE狀態的一組寄存器統稱，其中可訪問寄存器有：PSTATE.{NZCV,DAIF,CurrentEL,SPSel},屬于ARMv8新增內容,64bit下代替CPSR |
64、32位寄存器的映射關系
| 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}
| 標識符 | Note |
| Opcode | 操作碼，也就是助記符，說明指令需要執行的操作類型 |
| Cond | 指令執行條件碼，在編碼中占4bit，0b0000 -0b1110 |
| S | 條件碼設置項,決定本次指令執行是否影響PSTATE寄存器響應狀態位值 |
| Rd/Xt | 目標寄存器，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 | 第一個操作數的寄存器，和Rd一樣，不同指令有不同要求 |
| Opcode2 | 第二個操作數，可以是立即數，寄存器Rm和寄存器移位方式（Rm，#shit） |
指令分類
| 類型 | Note |
| • 跳轉指令 | 條件跳轉、無條件跳轉（#imm、register）指令 |
| • 異常產生指令 | 系統調用類指令（SVC、HVC、SMC） |
| • 系統寄存器指令 | 讀寫系統寄存器，如 ：MRS、MSR指令 可操作PSTATE的位段寄存器 |
| • 數據處理指令 | 包括各種算數運算、邏輯運算、位操作、移位(shift)指令 |
|
• load/store 內存訪問指令 |
load/store {批量寄存器、單個寄存器、一對寄存器、非-暫存、非特權、獨占}以及load-Acquire、store-Release指令 （A64沒有LDM/STM指令） |
| • 協處理指令 | A64沒有協處理器指令 |
A64指令集
| • A64指令編碼寬度固定32bit |
| • 31個（X0-X30）個64bit通用用途寄存器（用作32bit時是W0-W30），寄存器名使用5bit編碼 |
| • PC指針不能作為數據處理指或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指令立即數偏移尋址，提供非-暫存LDNP/STNP指令，不需要hold數據到cache中 |
| • 沒有提供訪問CPSR的單一寄存器，但是提供訪問PSTATE的狀態域寄存器 |
| • 相比A32少了很多條件執行指令，只有條件跳轉和少數數據處理這類指令才有條件執行. |
| • 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沒有協處理器的概念 |
指令助記符
| 整型 | |
| W/R | 32bit整數 |
| X | 64bit整數 |
| 加載/存儲、符號-0擴展 | |
| B | 無符號8bit字節 |
| SB | 帶符號8bit字節 |
| 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 | 標記 |
| 0000 | EQ | 運算結果相等為1 | Z==1 |
| 0001 | NE | 運算結果不等為0 | Z==0 |
| 0010 | HS/CS | 無符號高或者相同進位，發生進位為1 | C==1 |
| 0011 | LO/CC | 無符號低清零，發生借位為0 | C==0 |
| 0100 | MI | 負數為1 | N==1 |
| 0101 | PL | 非負數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 |
無條件執行 |
Any |
