armv8

1.前言

本文的主要內容來源於ARMV8白皮書v5，對ARMV8做一個概述。包含如下的內容：

• 首先從背景談起，講述ARM的發展歷程；
• 之後介紹ARMV8體系結構的基本特徵；
• 介紹A64指令集
• 介紹異常級別
• 介紹內存管理單元
• 介紹編程寄存器
• 介紹DEBUG相關
• ARMV8生態系統的演化

2. 背景

• 從1995年，ARMV4(主要對應ARM7 family)開始到現在ARM RISC體系結構到現在已經演化了20多年。從設計一開始ARM就關注到了低功耗
• 到2011年，所有的ARM-Cotex family都被設計成使用ARMV7架構。

ARM7：採用ARMV4架構

ARM9：ARMV4的變體

ARM11：ARMV4的變體

Cotex-A8：為了匹配不同的市場，ARMV7從Cotex-A8開始被劃分為三種屬性：Application-Profile、RealTime-Profile、Microcontroller-Profile

Cotex-A9：引入了多核

Cotex-A5：引入低功耗、低成本的網絡互聯

Cotex-A7：引入了出色的能效管理，可以延長手機的續航時間

Cotex-A15：引入了很多可選的擴展，如LPAE、虛擬化、

• 為何要引入ARMV8？

（1）考慮到ARMV7被市場廣泛接受，以及形成的成熟的生態，因此後續的體系結構升級需要做到向後兼容；

（2）另外要讓廠商能夠願意將軟件系統遷移到新的體系結構，新的體系結構一定要有原體系結構不具有的優勢

（3）為了解決舊有架構遺留的問題，提供一種更加清晰的架構，同時考慮到將來的發展趨勢，採用一種全新的架構來實現

3. ARMV8架構基本特性

• ARMV8目前只定義了Application profile
• ARMV8定義了48bit符號虛擬地址和達到48bit物理地址
• ARMV8採用了新的指令集A64
• ARMV8兼容ARMV7的指令
• A32和A64的轉換隻能發生在異常級別轉換時

4. A64指令集

• A64下的每條指令被定義為固定32bit
• A32和A64分別解碼，這樣可以簡化解碼錶，單獨的解碼錶可以允許更多更先進的分支預測技術
• 通用目的寄存器增加到31個
• A64刪除了LDM/STM指令，因為LDM/STM實現比較複雜
• 更少的條件指令，因為實現複雜，並且沒有明顯的好處
• 浮點單元硬件支持
• SIMD支持，針對A64做了專門修訂，引入了雙精度浮點支持

5.異常級別

• A32和A64之間的轉換有一個嚴格的規則集合
• 異常級別增加，可以保持A32或升級到A64
• A64引入了專門的寄存器ELR，用於記錄異常返回地址，在所有的異常入口會進行設置
• 在異常入口，中斷mask會自動置位
• 每個異常級別都有自己的向量基址寄存器，每個向量被按照類型區分：synchronous,IRQ,FIQ或Error
• 關於異常的詳細細節在syndrome register

6. 內存管理單元

• 支持48bit虛擬地址和物理地址，這樣可以簡化硬件，可以只支持到4級頁表；
• 支持4K和64K頁
• 提供了兩種基地址，分別是內核空間和用戶空間
• 用戶空間虛擬地址到物理地址的轉換需要經過兩個階段，分別是VA->IPA,IPA->PA

7.程序寄存器

• 30個通用寄存器（X0-X30），每個寄存器使64bits，其中X30是LR寄存器
• 只有一個SP寄存器和ELR寄存器
• SPSR
• Pstate

8. DEBUG

• 可以通過debugger調試器直接發送指令，處理器可以提取
• 兩種類型的debug：self-host和halt mode debug

9.生態系統演變