ARMV8体系结构简介

armv8

1.前言

本文的主要内容来源于ARMV8白皮书v5，对ARMV8做一个概述。包含如下的内容：

• 首先从背景谈起，讲述ARM的发展历程；
• 之后介绍ARMV8体系结构的基本特征；
• 介绍A64指令集
• 介绍异常级别
• 介绍内存管理单元
• 介绍编程寄存器
• 介绍DEBUG相关
• ARMV8生态系统的演化

2. 背景

• 从1995年，ARMV4(主要对应ARM7 family)开始到现在ARM RISC体系结构到现在已经演化了20多年。从设计一开始ARM就关注到了低功耗
• 到2011年，所有的ARM-Cotex family都被设计成使用ARMV7架构。

ARM7：采用ARMV4架构

ARM9：ARMV4的变体

ARM11：ARMV4的变体

Cotex-A8：为了匹配不同的市场，ARMV7从Cotex-A8开始被划分为三种属性：Application-Profile、RealTime-Profile、Microcontroller-Profile

Cotex-A9：引入了多核

Cotex-A5：引入低功耗、低成本的网络互联

Cotex-A7：引入了出色的能效管理，可以延长手机的续航时间

Cotex-A15：引入了很多可选的扩展，如LPAE、虚拟化、

• 为何要引入ARMV8？

（1）考虑到ARMV7被市场广泛接受，以及形成的成熟的生态，因此后续的体系结构升级需要做到向后兼容；

（2）另外要让厂商能够愿意将软件系统迁移到新的体系结构，新的体系结构一定要有原体系结构不具有的优势

（3）为了解决旧有架构遗留的问题，提供一种更加清晰的架构，同时考虑到将来的发展趋势，采用一种全新的架构来实现

3. ARMV8架构基本特性

• ARMV8目前只定义了Application profile
• ARMV8定义了48bit符号虚拟地址和达到48bit物理地址
• ARMV8采用了新的指令集A64
• ARMV8兼容ARMV7的指令
• A32和A64的转换只能发生在异常级别转换时

4. A64指令集

• A64下的每条指令被定义为固定32bit
• A32和A64分别解码，这样可以简化解码表，单独的解码表可以允许更多更先进的分支预测技术
• 通用目的寄存器增加到31个
• A64删除了LDM/STM指令，因为LDM/STM实现比较复杂
• 更少的条件指令，因为实现复杂，并且没有明显的好处
• 浮点单元硬件支持
• SIMD支持，针对A64做了专门修订，引入了双精度浮点支持

5.异常级别

• A32和A64之间的转换有一个严格的规则集合
• 异常级别增加，可以保持A32或升级到A64
• A64引入了专门的寄存器ELR，用于记录异常返回地址，在所有的异常入口会进行设置
• 在异常入口，中断mask会自动置位
• 每个异常级别都有自己的向量基址寄存器，每个向量被按照类型区分：synchronous,IRQ,FIQ或Error
• 关于异常的详细细节在syndrome register

6. 内存管理单元

• 支持48bit虚拟地址和物理地址，这样可以简化硬件，可以只支持到4级页表；
• 支持4K和64K页
• 提供了两种基地址，分别是内核空间和用户空间
• 用户空间虚拟地址到物理地址的转换需要经过两个阶段，分别是VA->IPA,IPA->PA

7.程序寄存器

• 30个通用寄存器（X0-X30），每个寄存器使64bits，其中X30是LR寄存器
• 只有一个SP寄存器和ELR寄存器
• SPSR
• Pstate

8. DEBUG

• 可以通过debugger调试器直接发送指令，处理器可以提取
• 两种类型的debug：self-host和halt mode debug

9.生态系统演变