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2011年11月，ARM公司發布了新(xin)一(yi)(yi)代處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器架構(gou)ARMv8的(de)部分技術細(xi)節。這是ARM公司的(de)首款(kuan)支持64位指令(ling)集(ji)的(de)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器架構(gou)。由于(yu)(yu)ARM處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器的(de)授權內(nei)核(he)被廣(guang)泛用(yong)于(yu)(yu)手機等諸多(duo)電(dian)子產品，故ARMv8架構(gou)作為下(xia)一(yi)(yi)代處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器的(de)核(he)心技術而受到普(pu)遍關注。ARM將在2012年間(jian)推出基于(yu)(yu)ARMv8架構(gou)的(de)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器內(nei)核(he)并開始授權，而面(mian)向消費(fei)者和企業(ye)的(de)樣機于(yu)(yu)2013年由蘋果的(de)A7處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)器上首次(ci)運用(yong)。

ARM-v8是在32位(wei)ARM架構(gou)上進(jin)行開發的(de)，將被(bei)首先用于對(dui)擴展虛擬地址(zhi)和64位(wei)數據處(chu)理技術有更高要求的(de)產(chan)品(pin)領域，如企業應用、高檔消費(fei)電子產(chan)品(pin)。

ARMv8架構(gou)包含兩(liang)個(ge)執(zhi)行(xing)狀態：AArch64和AArch32。AArch64執(zhi)行(xing)狀態針對(dui)64位(wei)處理技(ji)術，引入了(le)一(yi)個(ge)全新指令(ling)集A64;而AArch32執(zhi)行(xing)狀態將支持現有的ARM指令(ling)集。目前(qian)的ARMv7架構(gou)的主要(yao)特(te)性都將在ARMv8架構(gou)中得以(yi)保留(liu)或進一(yi)步(bu)拓展，如：TrustZone技(ji)術、虛擬化技(ji)術及NEON advanced SIMD技(ji)術，等。

配合ARMv8架構(gou)的(de)推出(chu)，ARM正在(zai)努力確保(bao)一個強大的(de)設計(ji)生態系(xi)統(tong)來支(zhi)(zhi)持(chi)(chi)64位指令(ling)集。ARM的(de)主要合作(zuo)伙伴已經能夠獲得支(zhi)(zhi)持(chi)(chi)ARM-v8架構(gou)的(de)ARM編(bian)譯器和快(kuai)速模型(Fast Model)。在(zai)新架構(gou)的(de)支(zhi)(zhi)持(chi)(chi)下，對(dui)一系(xi)列開(kai)(kai)源(yuan)操作(zuo)系(xi)統(tong)、應用程(cheng)序和第三方工具的(de)初始開(kai)(kai)發已經在(zai)開(kai)(kai)展中。通(tong)過合作(zuo)，ARM合作(zuo)伙伴們共同(tong)加速64位生態系(xi)統(tong)的(de)開(kai)(kai)發，在(zai)許多情況下，這可視為是對(dui)現(xian)有支(zhi)(zhi)持(chi)(chi)基(ji)于(yu)ARMv7架構(gou)產(chan)品的(de)廣(guang)泛(fan)生態系(xi)統(tong)的(de)自然延伸。

ARM-v8架(jia)構(gou)屬于64位(wei)架(jia)構(gou)，向下兼(jian)容(rong)ARM-v7架(jia)構(gou)。ARM-v8架(jia)構(gou)支持兩種類(lei)型(xing)(xing)的ARM指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)集(ji)(ji)，一種是(shi)Aarch64位(wei)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)集(ji)(ji)，一種是(shi)Aarch32位(wei)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)集(ji)(ji)。不(bu)管(guan)是(shi)那種類(lei)型(xing)(xing)的指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)集(ji)(ji)，每條(tiao)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)依然都是(shi)字(zi)(4字(zi)節(jie))對齊。兩種類(lei)型(xing)(xing)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)集(ji)(ji)的本質區別是(shi)工作(zuo)(zuo)寄存(cun)器(qi)的位(wei)數(shu)不(bu)同(tong)，Aarch32位(wei)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)集(ji)(ji)使用(yong)32bit工作(zuo)(zuo)寄存(cun)器(qi)，而Aarch64位(wei)指(zhi)(zhi)令(ling)(ling)(ling)(ling)集(ji)(ji)使用(yong)64bit工作(zuo)(zuo)寄存(cun)器(qi)。

ARMv8 提(ti)供(gong)AArch32 state和 AArch64 state 兩(liang)種(zhong)Execution State，下(xia)面是兩(liang)種(zhong)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(de)(de)banked register 是(shi)(shi)指(zhi)一個(ge)寄存器(qi)在不(bu)同模(mo)式下(xia)有(you)對應不(bu)同的(de)(de)寄存器(qi)，比如SP，在abort模(mo)式下(xia)是(shi)(shi)SP_bat，在Und模(mo)式是(shi)(shi)SP_und,在iqr模(mo)式下(xia)是(shi)(shi)SP_irq等(deng)，進入(ru)各種模(mo)式后會自動切換映射到各個(ge)模(mo)式下(xia)對應的(de)(de)寄存器(qi).

• R0-R7是所謂(wei)(wei)的非(fei)banked register，R8-R14是所謂(wei)(wei)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(bian)碼基本(ben)格(ge)式(shi)

<Opcode>{&lt;Cond>}<S>  <Rd>, <Rn> {,<Opcode2>}

• 其(qi)中(zhong)尖(jian)括號(hao)是(shi)必須的(de)，花括號(hao)是(shi)可(ke)選的(de)

• 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