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ARMv8 架构与指令集.学习笔记

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第1章 ARMv8简介

1.1基础认识

ARMv8的架构继承以往ARMv7与之前处理器技术的基础，除了现有的16/32bit的Thumb2指令支持外，也向前兼容现有的A32(ARM 32bit)指令集，基于64bit的AArch64架构，除了新增A64(ARM 64bit)指令集外，也扩充了现有的A32(ARM 32bit)和T32(Thumb2 32bit）指令集，另外还新增加了CRYPTO(加密)模块支持。

1.2 相关专业名词解释

AArch32	描述32bit Execution State
AArch64	描述64bit Execution State
A32、T32	AArch32 ISA （Instruction Architecture）
A64	AArch64 ISA （Instruction Architecture）
Interprocessing	描述AArch32和AArch64两种执行状态之间的切换
SIMD	Single-Instruction, Multiple-Data （单指令多数据）

(参考文档：ARMv8-A Architecture reference manual-DDI0487A_g_armv8_arm.pdf)

第2章 Execution State

2.1 提供两种Execution State

• 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CP10CP11CP14CP15
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

2.2 决定Execution State的条件

SPSR_EL1.M[4] 决定EL0的执行状态，为0 =>64bit ,否则=>32bit

HCR_EL2.RW 决定EL1的执行状态，为1 =>64bit ,否则=>32bit

SCR_EL3.RW确定EL2 or EL1的执行状态，为1 =>64bit ,否则=>32bit

AArch32和AArch64之间的切换只能通过发生异常或者系统Reset来实现.（A32 -> T32之间是通过BX指令切换的）

ELx（x<4），x越大等级越高，执行特权越高

执行在EL0称为非特权执行

EL2 没有Secure state，只有Non-secure state

EL3 只有Secure state，实现EL0/EL1的Secure 和Non-secure之间的切换

EL0 & EL1 必须要实现，EL2/EL3则是可选实现

3.1 Exception Level 与Security

Exception Level
EL0	Application
EL1	Linux kernel- OS
EL2	Hypervisor (可以理解为上面跑多个虚拟OS)
EL3	Secure Monitor(ARM Trusted Firmware)
Security
Non-secure	EL0/EL1/EL2, 只能访问Non-secure memory
Secure	EL0/EL1/EL3, 可以访问Non-secure memory & Secure memory,可起到物理屏障安全隔离作用

3.1.1 EL3使用AArch64、AArch32的对比

	Note
Common	User mode 只执行在Non- Secure EL0 or Secure ELO
	SCR_EL3.NS决定的是low level EL的secure/non-secure状态，不是绝对自身的
	EL2只有Non-secure state
	EL0 既有Non-secure state 也有Secure state
EL3 AArch64	若EL1使用AArch32,那么Non- Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND} 模式执行在Non-secure EL1，Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND}模式执行在Secure EL1
	若 SCR_EL3.NS == 0,则切换到Secure EL0/EL1状态，否则切换到Non-secure ELO/EL1状态
	Secure state 只有Secure EL0/EL1/EL3
EL3 AArch32	User mode 只执行在Non- Secure EL0 or Secure ELO
	若EL1使用AArch32,那么Non- Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND} 模式执行在Non-secure EL1，Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND}模式执行在EL3
	Secure state只有Secure EL0/EL3，没有Secure EL1，要注意和上面的情况不同

• 当EL3使用AArch64时，有如下结构组合：

五类组合

EL0/EL1/EL2/EL3 => AArch64

此两类组合不存在64bit –> 32bit之间的所谓 Interprocessing 切换

EL0/EL1/EL2/EL3 => AArch32

EL0 => AARCH32，EL1/EL2/EL3 => AArch64

此三类组合存在64bit –> 32bit之间的所谓 Interprocessing 切换

EL0/EL1 => AArch32，EL2/EL3 => AArch64

EL0/EL1/EL2 => AArch32，EL3 => AArch64

组合规则

字宽（ELx）<= 字宽（EL(x+1)） { x=0,1,2 }

原则：上层字宽不能大于底层字宽

• 五类经典组合图示

若SPSR_EL1.M[4] == 0，则决定ELO使用AArch64,否则AArch32

若SCR_EL3.RW == 1，则决定 EL2/EL1 是使用AArch64，否则AArch32

若SCR_EL3.{EA, FIQ, IRQ} == 1，则所有相应的SErrorFIQIRQ 中断都被路由到EL3

若HCR_EL2.RW == 1，则决定EL1使用AArch64，否则使用AArch32

若HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO} == 1，则EL1/EL0所有对应的SErrorFIQIRQ中断都被路由到EL2,同时使能对应的虚拟中断VSE,VI,VF

若HCR_EL2.TGE == 1，那么会忽略HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO}的具体值，直接当成1处理，则EL1/EL0所有对应的SErrorFIQIRQ中断都被路由到EL2，同时禁止所有虚拟中断

注意： SCR_EL3.{EA, FIQ, IRQ}bit的优先级高于HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO} bit优先级，路由优先考虑SCR_EL3

3.3.2 IRQ/FIQ/SError路由流程图

位宽

分类

32-bit

Wn（通用）

WZR（0寄存器）

WSP（堆栈指针）

64-bit

Xn（通用）

XZR（0寄存器）

SP（堆栈指针）

4.1 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

4.1.1 A32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

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

R10

R11

R12

SP (R13)

LR (R14)

LR (R14) //M

PC (R15)

PC (R15) //P

CPSR

SPSR

4.2 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