讲师博文
2011年11月，ARM公司发布了新一代处理器架构ARMv8的部分技术细节。这是ARM公司的首款支持64位指令集的处理器架构。由于ARM处理器的授权内核被广泛用于手机等诸多电子产品，故ARMv8架构作为下一代处理器的核心技术而受到普遍关注。ARM将在2012年间推出基于ARMv8架构的处理器内核并开始授权，而面向消费者和企业的样机于2013年由苹果的A7处理器上首次运用。
ARM-v8是在32位ARM架构上进行开发的，将被首先用于对扩展虚拟地址和64位数据处理技术有更高要求的产品领域，如企业应用、高档消费电子产品。
ARMv8架构包含两个执行状态：AArch64和AArch32。AArch64执行状态针对64位处理技术，引入了一个全新指令集A64;而AArch32执行状态将支持现有的ARM指令集。目前的ARMv7架构的主要特性都将在ARMv8架构中得以保留或进一步拓展，如：TrustZone技术、虚拟化技术及NEON advanced SIMD技术，等。
配合ARMv8架构的推出，ARM正在努力确保一个强大的设计生态系统来支持64位指令集。ARM的主要合作伙伴已经能够获得支持ARM-v8架构的ARM编译器和快速模型(Fast Model)。在新架构的支持下，对一系列开源操作系统、应用程序和第三方工具的初始开发已经在开展中。通过合作，ARM合作伙伴们共同加速64位生态系统的开发，在许多情况下，这可视为是对现有支持基于ARMv7架构产品的广泛生态系统的自然延伸。
ARM-v8架构属于64位架构，向下兼容ARM-v7架构。ARM-v8架构支持两种类型的ARM指令集，一种是Aarch64位指令集，一种是Aarch32位指令集。不管是那种类型的指令集，每条指令依然都是字(4字节)对齐。两种类型指令集的本质区别是工作寄存器的位数不同，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 两种Execution State，下面是两种Execution State对比.
| Execution State | Note |
|
AArch32 |
提供13个32bit通用寄存器R0-R12，一个32bit PC指针 (R15)、堆栈指针SP (R13)、链接寄存器LR (R14) |
| 提供一个32bit异常链接寄存器ELR, 用于Hyp mode下的异常返回 | |
| 提供32个64bit SIMD向量和标量floating-point支持 | |
| 提供两个指令集A32（32bit）、T32（16/32bit） | |
| 兼容ARMv7的异常模型 | |
| 协处理器只支持CP10\CP11\CP14\CP15 | |
|
AArch64 |
提供31个64bit通用寄存器X0-X30（W0-W30），其中X30是程序链接寄存器LR |
| 提供一个64bit PC指针、堆栈指针SPx 、异常链接寄存器ELRx | |
| 提供32个128bit SIMD向量和标量floating-point支持 | |
| 定义ARMv8异常等级ELx（x<4）,x越大等级越高，权限越大 | |
| 定义一组PE state寄存器PSTATE（NZCV/DAIF/CurrentEL/SPSel等），用于保存PE当前的状态信息 | |
| 没有协处理器概念 |
AArch32重要寄存器
| 寄存器类型 | Bit | 描述 |
| R0-R14 | 32bit | 通用寄存器，但是ARM不建议使用有特殊功能的R13，R14，R15当做通用寄存器使用. |
| SP_x | 32bit | 通常称R13为堆栈指针，除了User和Sys模式外，其他各种模式下都有对应的SP_x寄存器：x ={ und/svc/abt/irq/fiq/hyp/mon} |
| LR_x | 32bit | 称R14为链接寄存器，除了User和Sys模式外，其他各种模式下都有对应的SP_x寄存器：x ={ und/svc/abt/svc/irq/fiq/mon},用于保存程序返回链接信息地址，AArch32环境下，也用于保存异常返回地址，也就说LR和ELR是公用一个，AArch64下是独立的. |
| ELR_hyp | 32bit | Hyp mode下特有的异常链接寄存器，保存异常进入Hyp mode时的异常地址 |
| PC | 32bit | 通常称R15为程序计算器PC指针，AArch32 中PC指向取指地址，是执行指令地址+8，AArch64中PC读取时指向当前指令地址. |
| CPSR | 32bit | 记录当前PE的运行状态数据,CPSR.M[4:0]记录运行模式，AArch64下使用PSTATE代替 |
| APSR | 32bit | 应用程序状态寄存器，EL0下可以使用APSR访问部分PSTATE值 |
| SPSR_x | 32bit | 是CPSR的备份，除了User和Sys模式外，其他各种模式下都有对应的SPSR_x寄存器：x ={ und/svc/abt/irq/fiq/hpy/mon}，注意：这些模式只适用于32bit运行环境 |
| HCR | 32bit | EL2特有，HCR.{TEG,AMO,IMO,FMO,RW}控制EL0/EL1的异常路由 |
| SCR | 32bit | EL3特有，SCR.{EA,IRQ,FIQ,RW}控制EL0/EL1/EL2的异常路由，注意EL3始终不会路由 |
| VBAR | 32bit | 保存任意异常进入非Hyp mode & 非Monitor mode的跳转向量基地址 |
| HVBAR | 32bit | 保存任意异常进入Hyp mode的跳转向量基地址 |
| MVBAR | 32bit | 保存任意异常进入Monitor mode的跳转向量基地址 |
| ESR_ELx | 32bit | 保存异常进入ELx时的异常综合信息，包含异常类型EC等，可以通过EC值判断异常class |
| PSTATE | 不是一个寄存器，是保存当前PE状态的一组寄存器统称，其中可访问寄存器有：PSTATE.{NZCV,DAIF,CurrentEL,SPSel},属于ARMv8新增内容，主要用于64bit环境下 |
A32状态下寄存器组织
• 所谓的banked register 是指一个寄存器在不同模式下有对应不同的寄存器，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，进入各种模式后会自动切换映射到各个模式下对应的寄存器.
• R0-R7是所谓的非banked register，R8-R14是所谓的banked register
4.1.1 T32状态下寄存器组织
|
A32使用 Rd/Rn编码位宽4位 |
T32-32bit使用 Rd/Rn编码位宽4位 |
T32-16bit使用 Rd/Rn编码位宽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 | 并不是说T32-16bit下没有R8～R12，而是有限的指令才能访问到,16bit指令的Rd/Rn编码位只有3位，所以Rx范围是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
| 寄存器类型 | Bit | 描述 |
| X0-X30 | 64bit | 通用寄存器，如果有需要可以当做32bit使用：WO-W30 |
| LR (X30) | 64bit | 通常称X30为程序链接寄存器，保存跳转返回信息地址 |
| SP_ELx | 64bit | 若PSTATE.M[0] ==1，则每个ELx选择SP_ELx，否则选择同一个SP_EL0 |
| ELR_ELx | 64bit | 异常链接寄存器，保存异常进入ELx的异常地址（x={0,1,2,3}） |
| PC | 64bit | 程序计数器，俗称PC指针，总是指向即将要执行的下一条指令 |
| SPSR_ELx | 32bit | 寄存器，保存进入ELx的PSTATE状态信息 |
| NZCV | 32bit | 允许访问的符号标志位 |
| DIAF | 32bit | 中断使能位：D-Debug，I-IRQ，A-SError，F-FIQ ，逻辑0允许 |
| CurrentEL | 32bit | 记录当前处于哪个Exception level |
| SPSel | 32bit | 记录当前使用SP_EL0还是SP_ELx，x= {1,2,3} |
| HCR_EL2 | 32bit | HCR_EL2.{TEG,AMO,IMO,FMO,RW}控制EL0/EL1的异常路由 逻辑1允许 |
| SCR_EL3 | 32bit | SCR_EL3.{EA,IRQ,FIQ,RW}控制EL0/EL1/EL2的异常路由 逻辑1允许 |
| ESR_ELx | 32bit | 保存异常进入ELx时的异常综合信息，包含异常类型EC等. |
| VBAR_ELx | 64bit | 保存任意异常进入ELx的跳转向量基地址 x={0,1,2,3} |
| PSTATE | 不是一个寄存器，是保存当前PE状态的一组寄存器统称，其中可访问寄存器有：PSTATE.{NZCV,DAIF,CurrentEL,SPSel},属于ARMv8新增内容,64bit下代替CPSR |
64、32位寄存器的映射关系
| 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
• 指令编码基本格式
<Opcode>{<Cond>}<S> <Rd>, <Rn> {,<Opcode2>}
• 其中尖括号是必须的，花括号是可选的
• A32： Rd => {R0–R14}
• A64： Rd =>Xt => {X0–X30}
| 标识符 | Note |
| Opcode | 操作码，也就是助记符，说明指令需要执行的操作类型 |
| Cond | 指令执行条件码，在编码中占4bit，0b0000 -0b1110 |
| S | 条件码设置项,决定本次指令执行是否影响PSTATE寄存器响应状态位值 |
| Rd/Xt | 目标寄存器，A32指令可以选择R0-R14,T32指令大部分只能选择RO-R7，A64指令可以选择X0-X30 or W0-W30 |
| Rn/Xn | 第一个操作数的寄存器，和Rd一样，不同指令有不同要求 |
| Opcode2 | 第二个操作数，可以是立即数，寄存器Rm和寄存器移位方式（Rm，#shit） |
指令分类
| 类型 | Note |
| • 跳转指令 | 条件跳转、无条件跳转（#imm、register）指令 |
| • 异常产生指令 | 系统调用类指令（SVC、HVC、SMC） |
| • 系统寄存器指令 | 读写系统寄存器，如 ：MRS、MSR指令 可操作PSTATE的位段寄存器 |
| • 数据处理指令 | 包括各种算数运算、逻辑运算、位操作、移位(shift)指令 |
|
• load/store 内存访问指令 |
load/store {批量寄存器、单个寄存器、一对寄存器、非-暂存、非特权、独占}以及load-Acquire、store-Release指令 （A64没有LDM/STM指令） |
| • 协处理指令 | A64没有协处理器指令 |
A64指令集
| • A64指令编码宽度固定32bit |
| • 31个（X0-X30）个64bit通用用途寄存器（用作32bit时是W0-W30），寄存器名使用5bit编码 |
| • PC指针不能作为数据处理指或load指令的目的寄存器，X30通常用作LR |
| • 移除了批量加载寄存器指令 LDM/STM, PUSH/POP, 使用STP/LDP 一对加载寄存器指令代替 |
| • 增加支持未对齐的load/store指令立即数偏移寻址，提供非-暂存LDNP/STNP指令，不需要hold数据到cache中 |
| • 没有提供访问CPSR的单一寄存器，但是提供访问PSTATE的状态域寄存器 |
| • 相比A32少了很多条件执行指令，只有条件跳转和少数数据处理这类指令才有条件执行. |
| • 支持48bit虚拟寻址空间 |
| • 大部分A64指令都有32/64位两种形式 |
| • A64没有协处理器的概念 |
指令助记符
| 整型 | |
| W/R | 32bit整数 |
| X | 64bit整数 |
| 加载/存储、符号-0扩展 | |
| B | 无符号8bit字节 |
| SB | 带符号8bit字节 |
| H | 无符号16bit半字 |
| SH | 带符号16bit半字 |
| W | 无符号32bit字 |
| SW | 带符号32bit字 |
| P | Pair（一对） |
| 寄存器宽度改变 | |
| H | 高位（dst gets top half） |
| N | 有限位（dst < src） |
| L | Long （dst > src） |
| W | Wide (dst==src1,src1>src2) ？ |
指令条件码
| 编码 | 助记符 | 描述 | 标记 |
| 0000 | EQ | 运算结果相等为1 | Z==1 |
| 0001 | NE | 运算结果不等为0 | Z==0 |
| 0010 | HS/CS | 无符号高或者相同进位，发生进位为1 | C==1 |
| 0011 | LO/CC | 无符号低清零，发生借位为0 | C==0 |
| 0100 | MI | 负数为1 | N==1 |
| 0101 | PL | 非负数0 | N==0 |
| 0110 | VS | 有符号溢出为1 | V==1 |
| 0111 | VC | 没用溢出为0 | V==0 |
| 1000 | HI | 无符号 > | C==1 && Z==0 |
| 1001 | LS | 无符号 <= | !(C==1 && Z==0) |
| 1010 | GE | 带符号 >= | N==V |
| 1011 | LT | 带符号 < | N!=V |
| 1100 | GT | 带符号 > | Z==0 && N==V |
| 1101 | LE | 带符号 <= | !( Z==0 && N==V) |
| 1110 | AL |
无条件执行 |
Any |
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