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【方輝專欄】ARM64體系結(jié)構(gòu)編程與實(shí)踐學(xué)習(xí)筆記（一）ARM64體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)
發(fā)布時(shí)間：2022-07-19

摘要： 本文主要介紹了ARM64（Armv8）體系結(jié)構(gòu)的基本概念。

關(guān)鍵字：ARM64、Armv8、體系結(jié)構(gòu)、ARM架構(gòu)、指令集、數(shù)據(jù)寬度


1. ARM體系結(jié)構(gòu)是什么？


ARM體系結(jié)構(gòu)，又稱ARM架構(gòu)，是一種硬件規(guī)范。主要用來約定指令集、芯片內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)（如內(nèi)存管理、高速緩存管理）等。


ARM指令集在結(jié)構(gòu)體系中并沒有約定每一條指令在硬件描述語言（VHDL或Verilog HDL）中如何實(shí)現(xiàn)，而只約定了每條指令的格式、行為規(guī)范、參數(shù)等。


ARM體系結(jié)構(gòu)從v1版本發(fā)展到v9版本，每個(gè)版本的體系結(jié)構(gòu)，指令集都有相應(yīng)的變化。


2. Armv8-A體系結(jié)構(gòu)的基本概念


2.1處理機(jī)（Processing Element ,PE）：處理事務(wù)的過程抽象為處理機(jī)。


2.2執(zhí)行狀態(tài)（Execution State）：處理器運(yùn)行時(shí)的環(huán)境，包括寄存器的位寬、支持的指令集、異常模型、內(nèi)存管理以及編程模型等。


Armv8體系結(jié)構(gòu)定義了AArch64和AArch32兩個(gè)執(zhí)行狀態(tài)。


2.2.1 ?AArch64為64位執(zhí)行狀態(tài)

  • 提供31個(gè)64位的通用寄存器
  • 提供64位的程序計(jì)數(shù)指針寄存器(PC)、棧指針寄存器(SP)、異常鏈接寄存器(ELR).
  • 提供A64指令集
  • 提供64位的內(nèi)存模型
  • 定義Armv8異常模型，支持EL0-EL3共4個(gè)異常等級(jí)。
  • 定義一組處理器狀態(tài)(PSTATE)用來保存處理機(jī)(PE)的狀態(tài)。


2.2.2 ?AArch32為32位執(zhí)行狀態(tài)

  • 提供13個(gè)32位的通用寄存器
  • 提供32位的程序計(jì)數(shù)指針寄存器(PC)、棧指針寄存器(SP)、鏈接寄存器(LR).
  • 提供A32指令集和T32（Thumb）指令集。
  • 提供32位的虛擬內(nèi)存訪問機(jī)制。
  • 定義Armv8異常模型，支持EL0-EL3共4個(gè)異常等級(jí)。
  • 定義一組處理器狀態(tài)(PSTATE)用來保存處理機(jī)(PE)的狀態(tài)。


2.3 Armv8指令集

  • Arm 體系結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的執(zhí)行狀態(tài)會(huì)有三種指令集。
  • A64指令集，運(yùn)行在AArch64狀態(tài)下，提供64位指令集支持。
  • A32指令集，運(yùn)行在AArch32狀態(tài)下，提供32位指令集支持。
  • T32指令集，運(yùn)行在AArch32狀態(tài)下，提供Thumb 16位和32位指令集支持。


2.4 系統(tǒng)寄存器命令

在AArch64狀態(tài)下，一些系統(tǒng)寄存器會(huì)根據(jù)不同的異常等級(jí)提供不同的變種寄存器。例如：SP_EL0表示在EL0下的SP寄存器，SP_EL1表示在EL1下的SP寄存器。


3. AArch64異常等級(jí)


ARMv8-A架構(gòu)定義了一組異常級(jí)別（Exception Level，EL），從EL0到EL3，其中: 如果ELn為異常級(jí)別，n的值越大表示軟件執(zhí)行權(quán)限越高。



如上圖所示，

  • EL0提供用于普通用戶的應(yīng)用。
  • EL1提供操作系統(tǒng)相關(guān)的支持。
  • EL2提供對非安全操作的虛擬化支持。
  • EL3提供了兩個(gè)安全狀態(tài)之間切換的支持，安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)。
  • 一個(gè)程序可能不包括所有的異常級(jí)別，但必須包括EL0和EL1，至于EL2、EL3可選。


4. ARMv8支持的數(shù)據(jù)寬度

ARMv8支持如下幾種數(shù)據(jù)寬度：

  • 字節(jié)：8位
  • 半字：16位
  • 字 ：32位
  • 雙字：64位
  • 四字：128位


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