ARMv8-AArch64简述

ARMv8是ARM版本升级以来最大的一次改变，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，扩充了基于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；

ARMv8拥有两种执行模式（two execution modes）：
AArch64 ：64-bit registers and memory accesses, new instruction set；
AArch32 ： backwards compatible with ARMv7-A；

（一）A64新的指令和寄存器

1. 固定大小32位操作码，清除基于5位寄存器说明符的解码表；
2. 可以拥有32位或者64位参数；
3. 地址设定为64位，主要针对LP64和LLP64数据模型；
4. 比AArch32拥有更少的条件指令，条件指令有：分支，比较，选择；
5. 没有LDM/STM（用于批量从内存中读取或者写入数据）指令，添加LDP/STP指令来操作以降低复杂性及功耗；
6. 支持先进的SIMD（Single-Instruction，Multiple-Data：单指令多数据）和（FP浮点）；
7. 支持加密技术；
8. 可随时访问31个通用的64位寄存器 (X0-X30)，没有banked（banked是指一个寄存器不同模式下会对应不同的物理地址）的通用寄存器，堆栈指针(SP)，PC不是通用寄存器，附加专用的零寄存器(Xzr)；
9. AArch32状态是使用CPSR来存储当前process执行状态，AArch64定义了一组PSTATE寄存器用以保存PE(Processing Element)状态；

AArch64 – Unbanked Registers：

左边的通用寄存器用于：32位或者64位的整数运算或者64位的寻址，右边的用于浮点运算；

AArch64 Banked Registers：

AArch64不在根据之前通过不同模式来区别banked寄存器，而是通过exception level；

下图为AArch32和AArch64通用寄存器对应关系：

（二）AArch64 Exception Model

AArch64 Exception Model:

Exception model nomenclature:

总共分为4 exception levels: EL3-EL0,在这种特权模式下EL0位权限最低模式，也就是用户模式，Monitor（EL3）和Supervisor(EL2)，分别用于security扩展和virtualization扩展；；低level向高level切换通过exception的方式转换，有如下exceptions：

1. Interrupts, page faults etc.
2. SVC for transition to EL1 (system calls)
3. HVC for transition to EL2 (hypervisor：超级监督者 calls)
4. SMC for transition to EL3 (secure monitor call)
5. Dedicated ELR register for the return address (banked at each EL)；

而高level向低level则通过ERET指令；
低level的寄存器位宽不能大于高level：E.g. no 64-bit EL0 with 32-bit EL1；

对异常的处理：

1. Exception Link Register written on exception entry;
2. 异常有可能发生任何在exception level,EL1, EL2, and EL3有不同的向量表地址,之前的arm版本只有一个向量表地址；
3. 向量的区分是根据Exception type（synchronous, IRQ, FIQ or System Error）或者Exception origin (same or lower exception level) and register width；
4. Syndrome 寄存器提供了exceptions信息；

AArch32 and AArch64之间切换

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；

不同level之间的组合：

AArch32 /AArch64 relationship：

1. Changes between AArch32 and AArch64 occur on exception/exception return only；
2. Allows AArch32 applications under AArch64 OS Kernel；
3. Allows AArch32 guest OS under AArch64 Hypervisor；
4. Allows AArch32 Secure side with AArch64 Non-secure side

（二）AArch64 MMU Support

在ARMv8 64bit出现之前，我们用的都是32位寻址，每个地址单位对应内存一个字节单元(B),所以我们最大的寻址范围为2^32B = 4GB,但是实际当中，内存设备有可能远远大于4GB内存空间，以前是通过LPAE（大物理地址扩展）实现地址的扩展，可以支持最大2^40的地址寻址范围，ARMv8理论上最高可以提供提供了2^64个虚拟地址，但是超过16 Exabyte （2^4 * 2^60）意义并不大，所以选择跟x86一样，可以使用最大支持2^48虚拟地址的寻址范围就足够；

ARM 32bits下会用TTBR0存储User-Space行程所在的Page Table (也就是0xC0000000以下的存储空间),并用TTBR1存储Kernel Space所在的Page Table (也就是0xC0000000以上的存储空间).

在ARMv8 64bits架构下,会通过EL1的TTBR0 (ttbr0_el1, in /arch/arm64/mm/proc).存储User-Space行程所在的Page Table,与EL1的TTBR1存储Kernel Space所在的Page Table,并会依据Page Size与32/64bits行程而有不同的存储空间配置. 參考如下圖所示：

由于ARM 64bit Kernel分页大小为4kb和64kb两种，通过设置TASK_SIZE_64 (/arch/arm64/include/asm/memory.h)来设定，当分页大小为4KB的时候，决定TASK_SIZE_64大小的VA_BITS会等于39,也就是2^39大小的Task空间(=512GB),若分页大小为64KB时,则TASK_SIZE_64对应的VA_BITS等于 42,也就是2^42大小的Task空间(=4TB).

同时kernel空间也根据分页大小来划分内核空间，可以参考下面的图来区分：

参考资料：

ARM(V8) Architecture Reference Manual.pdf

ARMv8 Technology Preview.pdf

www.arm.com -cotex-A57介绍

Linux Support for ARM LPAE 分析

ARMv8 与 linux 的新手笔记

ARMv8 架构与指令集.学习笔记