ARMv8 架构与指令集.学习笔记

目 录

第1章 ARMv8简介. 3

1.1基础认识. 3

1.2 相关专业名词解释. 3

第2章 Execution State 4

2.1 提供两种Execution State 4

2.2 决定Execution State的条件. 4

第3章 Exception Level 5

3.1 Exception Level 与Security 5

3.1.1 EL3使用AArch64、AArch32的对比. 5

3.2 ELx 和 Execution State 组合. 6

3.3路由控制. 7

3.3.1 路由规则. 7

3.3.2 IRQ/FIQ/SError路由流程图. 8

第4章 ARMv8寄存器. 9

4.1 AArch32重要寄存器. 9

4.1.1 A32状态下寄存器组织. 10

4.1.1 T32状态下寄存器组织. 10

4.2 AArch64重要寄存器. 11

4.3 64、32位寄存器的映射关系. 11

第5章 异常模型. 12

5.1 异常类型描述. 12

5.1.1 AArch32异常类型. 12

5.1.2 AArch64异常类型. 12

5.2异常处理逻辑. 13

5.2.1 寄存器操作. 13

5.2.2 路由控制. 14

5.3流程图对比. 14

5.3.1 IRQ 流程图. 15

5.3.2 Data Abort 流程图. 18

5.4  源代码异常入口. 20

5.4.1 C函数入口. 20

5.4.2 上报流程图. 20

5.4.3 异常进入压栈准备. 21

5.4.4 栈布局. 21

第6章 ARMv8指令集. 22

6.1 概况. 22

6.1.1 指令基本格式. 22

6.1.2 指令分类. 22

6.2 A64指令集. 22

6.2.1 指令助记符. 23

6.2.2 指令条件码. 23

6.2.3 跳转指令. 24

6.2.4 异常产生和返回指令. 24

6.2.5 系统寄存器指令. 24

6.2.6 数据处理指令. 25

6.2.7 Load/Store指令. 27

6.2.8 屏障指令. 31

6.3 A32 & T32指令集. 31

6.3.1 跳转指令. 31

6.3.2 异常产生、返回指令. 32

6.3.3 系统寄存器指令. 32

6.3.4 系统寄存器指令. 32

6.3.5 数据处理指令. 32

6.3.6 Load/Store指令. 32

6.3.7 IT(if then)指令. 34

6.3.8 协处理器指令. 34

6.4 指令编码. 34

6.4.1 A32编码. 34

6.4.2 T32-16bit编码. 35

6.4.3 T32-32bit编码. 35

6.4.4 A64编码. 35

6.4 汇编代码分析. 35

第7章 流水线. 36

7.1 简介. 36

7.1.1 简单三级流水线. 36

7.1.2 经典五级流水线. 36

7.2 流水线冲突. 37

7.3 指令并行. 37

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CP10\CP11\CP14\CP15
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）

第3章 Exception Level

• ARMv8定义EL0-EL3共 4个Exception Level来控制PE的行为.

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：

 

 

• 当EL3使用AArch32时，有如下结构组合：

3.2 ELx 和 Execution State 组合

•假设EL0-EL3都已经实现，那么将会有如下组合

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

3.3路由控制

• 如果EL3使用AArch64,则有如下异常路由控制

3.3.1 路由规则

• 路由规则如下图所示（from ARMv8 Datasheet）：

 

• 规则小结如下：

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SError\FIQ\IRQ 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SError\FIQ\IRQ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SError\FIQ\IRQ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

 

第4章 ARMv8寄存器

寄存器名称描述

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

• 所谓的banked register 是指一个寄存器在不同模式下有对应不同的寄存器，比如SP，在abort模式下是SP_bat，在Und模式是SP_und,在iqr模式下是SP_irq等，进入各种模式后会自动切换映射到各个模式下对应的寄存器.

• R0-R7是所谓的非banked register，R8-R14是所谓的banked register

4.1.1 T32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
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
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

 

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,64bit下代替CPSR

 

4.3 64、32位寄存器的映射关系

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

 

第5章 异常模型

5.1 异常类型描述

5.1.1 AArch32异常类型

异常类型	描述	默认捕获模式	向量地址偏移
Undefined Instruction	未定义指令	Und mode	0x04
Supervisor Call	SVC调用	Svc mode	0x08
Hypervisor Call	HVC调用	Hyp mode	0x08
Secure Monitor Call	SMC调用	Mon mode	0x08
Prefetch abort	预取指令终止	Abt mode	0x0c
Data abort	数据终止	Abt mode	0x10
IRQ interrupt	IRQ中断	IRQ mode	0x18
FIQ interrupt	FIQ中断	FIQ mode	0x1c
Hyp Trap exception	Hyp捕获异常	Hyp mode	0x14
Monitor Trap exception	Mon捕获异常	Mon mode	0x04

 

5.1.2 AArch64异常类型

可分为同步异常 & 异步异常两大类,如下表描述：

 

Synchronous(同步异常)
异常类型	描述
Undefined Instruction	未定义指令异常
Illegal Execution State	非常执行状态异常
System Call	系统调用指令异常（SVC/HVC/SMC）
Misaligned PC/SP	PC/SP未对齐异常
Instruction Abort	指令终止异常
Data Abort	数据终止异常
Debug exception	软件断点指令/断点/观察点/向量捕获/软件单步 等Debug异常

 

Asynchronous(异步异常)
类型	描述
SError or vSError	系统错误类型，包括外部数据终止
IRQ or vIRQ	外部中断 or 虚拟外部中断
FIQ or vFIQ	快速中断 or 虚拟快速中断

 

异常进入满足以下条件	向量地址偏移表
	Synchronous (同步异常)	IRQ || vIRQ	FIQ || vFIQ	SError || vSError
SP => SP_EL0 && 从Current EL来	0x000	0x080	0x100	0x180
SP => SP_ELx && 从Current EL来	0x200	0x280	0x300	0x380
64bit => 64bit && 从Low level EL来	0x400	0x480	0x500	0x580
32bit => 64bit && 从Low level EL来	0x600	0x680	0x700	0x780

• SP => SP_EL0,表示使用SP_EL0堆栈指针，由PSTATE.SP == 0决定,PSTATE.SP == 1 则SP_ELx；

• 32bit => 64bit 是指发生异常时PE从AArch32切换到AArch64的情况；

 

5.2异常处理逻辑

5.2.1 寄存器操作

流程	Note
AArch32 State
PE根据异常类型跳转到对应的异常模式x, x = {und/svc/abt/irq/fiq/hyp/mon}	PE跳转到哪一种模式通常由路由关系决定
2、保存异常返回地址到LR_x，用于异常返回用	LR也是对应模式的R[14]_x寄存器，32位系统下LR和ELR是同一个寄存器，而64位是独立的
3、备份PSTATE 数据到SPSR_x	异常返回时需要从SPSR_x恢复PSTATE
4、PSTATE 操作： PSTATE.M[4:0]设置为异常模式x PSTATE.{A,I,F} = 1 PSTATE.T = 1，强制进入A32模式 PSTATE.IT[7：2] = “00000”	PSTATE.M[4]只是对32位系统有效，64为下是保留的，因为64位下没有各种mode的概念. 异常处理都要切换到ARM下进行； 进入异常时需要暂时关闭A,I,F中断；
5、据异常模式x的向量偏移跳转到进入异常处理	各个mode有对应的Vector base addr + offset
AArch64 state
保存PSTATE 数据到SPSR_ELx,(x = 1,2,3)	异常返回时需要从SPSR_ELx中恢复PSTATE
2、保存异常进入地址到ELR_ELx，同步异常（und/abt等）是当前地址，而 异步异常（irq/fiq等）是下一条指令地址	64位架构LR和ELR是独立分开的，这点和32位架构有所差别
3、保存异常原因信息到ESR_ELx	ESR_ELx.EC代表Exception Class，关注这个bit
4、PE根据目标EL的异常向量表中定义的异常地址强制跳转到异常处理程序	跳转到哪个EL使用哪个向量偏移地址又路由关系决定
5、堆栈指针SP的使用由目标EL决定	(SPSR_ELx.M[0] == 1) ？ h（ELx）: t（EL0）

 

5.2.2 路由控制

Execution State	异步异常（中断）	路由控制位、优先级排列. 1允许 0禁止
AArch32	Asynchronous Data Abort (异步数据终止)	SCR.EA HCR.TGE HCR.AMO
	IRQ  or vIRQ	SCR.IRQ HCR.TGE HCR.IMO
	FIQ  or vFIQ	SCR.FIQ HCR.TGE HCR.FMO
AArch64	SError or vSError	SCR_EL3.EA HCR_EL2.TGE HCR_EL2.AMO
	IRQ  or vIRQ	SCR_EL3.IRQ HCR_EL2.TGE HCR_EL2.IMO
	FIQ  or vFIQ	SCR_EL3.FIQ HCR_EL2.TGE HCR_EL2.FMO

• 若HCR_EL2.TGE ==1所有的虚拟中断将被禁止,HCR.{AMO,IMO,FMO} HCR_EL2.{AMO,IMO,FMO}被当成1处理.

5.3流程图对比

AArch32、AArch64架构下IRQ 和Data Abort 异常处理流程图对比.

 

5.3.1 IRQ 流程图

5.3.1.1 AArch32

5.3.1.2 AArch64

5.3.2 Data Abort 流程图

5.3.2.1 AArch32

 

5.3.2.2 AArch64

 

5.4  源代码异常入口

5.4.1 C函数入口

异常类型	AArch32 State		AArch64 State
	所在文件	C 函数	所在文件	C 函数
Und	arm/kernel/traps.c	do_undefinstr	Arm64/kernel/traps.c	do_undefinstr
Data Abort	arm/mm/fault.c	do_DataAbort	arm64/mm/fault.c	do_mem_abort
IRQ	arm/kernel/irq.c	asm_do_IRQ	arm64/kernel/irq.c	handle_IRQ
FIQ
System Call

 

5.4.2 上报流程图

例举Data Abort 和 IRQ中断的入口流程图

5.4.2.1 Data Abort 上报

5.4.2.2 IRQ上报

5.4.3 异常进入压栈准备

分析64位kernel_entry 压栈代码逻辑（代码路径：kernel/arch/arm64/kernel/entry.S）

• sp指向 #S_LR – #S_FRAME_SIZE 位置	#S_FRAME_SIZE是pt_regs结构图的size
• 依次把x28-x29 … x0-x1 成对压入栈内	每压入一对寄存器，sp指针就移动 -16 =（(64/8）*2）字节长度，栈是向地址减少方向增长的.
• 保存sp+#S_FRAME_SIZE数据到x21	add x21, sp, #SP_FRAME_SIZE
• 保存elr_el1到x22	mrs x22, elr_el1
• 保存spsr_el1到x23	mrs x23, spsr_el1
• 把lr、x21写入sp+#S_LR地址内存	保存lr和x21的数据到指定栈内存位置
• 把x22、x23写入sp+#S_PC地址内存	保存elr,spsr数据到指定栈内存位置

 

5.4.4 栈布局

 

第6章 ARMv8指令集

6.1 概况

• A64指令集

• A32 & T32指令集

• 指令编码

6.1.1 指令基本格式

{}  , {,}

 

• 其中尖括号是必须的，花括号是可选的

• A32： Rd => {R0–R14}  

• A64： Rd =>Xt => {X0–X30}

 

标识符	Note
Opcode	操作码，也就是助记符，说明指令需要执行的操作类型
Cond	指令执行条件码，在编码中占4bit，0b0000 -0b1110
S	条件码设置项,决定本次指令执行是否影响PSTATE寄存器响应状态位值
Rd/Xt	目标寄存器，A32指令可以选择R0-R14,T32指令大部分只能选择RO-R7，A64指令可以选择X0-X30 or W0-W30
Rn/Xn	第一个操作数的寄存器，和Rd一样，不同指令有不同要求
Opcode2	第二个操作数，可以是立即数，寄存器Rm和寄存器移位方式（Rm，#shit）

 

6.1.2 指令分类

类型	Note
• 跳转指令	条件跳转、无条件跳转（#imm、register）指令
• 异常产生指令	系统调用类指令（SVC、HVC、SMC）
• 系统寄存器指令	读写系统寄存器，如 ：MRS、MSR指令 可操作PSTATE的位段寄存器
• 数据处理指令	包括各种算数运算、逻辑运算、位操作、移位(shift)指令
• load/store 内存访问指令	load/store {批量寄存器、单个寄存器、一对寄存器、非-暂存、非特权、独占}以及load-Acquire、store-Release指令 （A64没有LDM/STM指令）
• 协处理指令	A64没有协处理器指令

 

6.2 A64指令集

• A64指令编码宽度固定32bit

• 31个（X0-X30）个64bit通用用途寄存器（用作32bit时是W0-W30），寄存器名使用5bit编码

• PC指针不能作为数据处理指或load指令的目的寄存器，X30通常用作LR

• 移除了批量加载寄存器指令 LDM/STM, PUSH/POP, 使用STP/LDP 一对加载寄存器指令代替

• 增加支持未对齐的load/store指令立即数偏移寻址，提供非-暂存LDNP/STNP指令，不需要hold数据到cache中

• 没有提供访问CPSR的单一寄存器，但是提供访问PSTATE的状态域寄存器

• 相比A32少了很多条件执行指令，只有条件跳转和少数数据处理这类指令才有条件执行.

• 支持48bit虚拟寻址空间

• 大部分A64指令都有32/64位两种形式

• A64没有协处理器的概念

 

6.2.1 指令助记符

整型
W/R	32bit整数
X	64bit整数
加载/存储、符号-0扩展
B	无符号8bit字节
SB	带符号8bit字节
H	无符号16bit半字
SH	带符号16bit半字
W	无符号32bit字
SW	带符号32bit字
P	Pair（一对）
寄存器宽度改变
H	高位（dst gets top half）
N	有限位（dst < src）
L	Long （dst > src）
W	Wide (dst==src1,src1>src2) ？

 

6.2.2 指令条件码

编码	助记符	描述	标记
0000	EQ	运算结果相等为1	Z==1
0001	NE	运算结果不等为0	Z==0
0010	HS/CS	无符号高或者相同进位，发生进位为1	C==1
0011	LO/CC	无符号低清零，发生借位为0	C==0
0100	MI	负数为1	N==1
0101	PL	非负数0	N==0
0110	VS	有符号溢出为1	V==1
0111	VC	没用溢出为0	V==0
1000	HI	无符号 >	C==1 && Z==0
1001	LS	无符号 <=	!(C==1 && Z==0)
1010	GE	带符号 >=	N==V
1011	LT	带符号 <	N!=V
1100	GT	带符号 >	Z==0 && N==V
1101	LE	带符号 <=	!( Z==0 && N==V)
1110	AL	无条件执行	Any
1111	NV

6.2.3 跳转指令

6.2.3.1 条件跳转

B.cond	cond为真跳转
CBNZ	CBNZ X1，label     //如果X1!= 0则跳转到label
CBZ	CBZ X1，label      //如果X1== 0则跳转到label
TBNZ	TBNZ X1，#3 label  //若X1[3]!=0,则跳转到label
TBZ	TBZ X1，#3 label   //若X1[3]==0,则跳转到label

 

6.2.3.2 绝对跳转

B	绝对跳转
BL	绝对跳转 #imm，返回地址保存到LR（X30）
BLR	绝对跳转reg，返回地址保存到LR（X30）
BR	跳转到reg内容地址,
RET	子程序返回指令，返回地址默认保存在LR（X30）

 

6.2.4 异常产生和返回指令

SVC	SVC系统调用，目标异常等级为EL1
HVC	HVC系统调用，目标异常等级为EL2
SMC	SMC系统调用，目标异常等级为EL3
ERET	异常返回，使用当前的SPSR_ELx和ELR_ELx

 

6.2.5 系统寄存器指令

MRS	R <- S: 通用寄存器 <= 系统寄存器
MSR	S <- R: 系统寄存器 <= 通用寄存器

 

6.2.6 数据处理指令

数据处理指令类型
算数运算	逻辑运算	数据传输	地址生成	位段移动	移位运算
ADDS	ANDS	MOV	ADRP	BFM	ASR
SUBS	EOR	MOVZ	ADR	SBFM	LSL
CMP	ORR	MOVK		UBFM	LSR
SBC	MOVI			BFI	ROR
RSB	TST			BFXIL
RSC				SBFIZ
CMN				SBFX
MADD				UBFIZ
MSUB
MUL
SMADDL
SDIV
UDIV

 

6.2.6.1 算术运算指令

ADDS	加法指令，若S存在，则更新条件位flag
ADCS	带进位的加法，若S存在，则更新条件位flag
SUBS	减法指令，若S存在，则更新条件位flag
SBC	将操作数 1          减去操作数 2，再减去 标志位C的取反值 ，结果送到目的寄存器Xt/Wt
RSB	逆向减法，操作数 2 –操作数 1，结果 Rd
RSC	带借位的逆向减法指令，将操作数 2 减去操作数 1，再减去 标志位C的取反值 ，结果送目标寄存器Xt/Wt
CMP	比较相等指令
CMN	比较不等指令
NEG	取负数运算，NEG X1，X2 // X1 = X2按位取反+1（负数=正数补码+1）
MADD	乘加运算
MSUB	乘减运算
MUL	乘法运算
SMADDL	有符号乘加运算
SDIV	有符号除法运算
UDIV	无符号除法运算

 

6.2.6.2 逻辑运算指令

ANDS	按位与运算，如果S存在，则更新条件位标记
EOR	按位异或运算
ORR	按位或运算
TST	例如：TST  W0,  #0X40 //指令用来测试W0[3]是否为1,相当于：ANDS WZR,W0，#0X40

 

6.2.6.3 数据传输指令

MOV	赋值运算指令
MOVZ	赋值#uimm16到目标寄存器Xd
MOVN	赋值#uimm16到目标寄存器Xd，再取反
MOVK	赋值#uimm16到目标寄存器Xd，保存其它bit不变

 

6.2.6.4 地址生成指令

ADRP	base = PC[11:0]=ZERO(12); Xd = base + label;
ADR	Xd = PC + label

 

6.2.6.5 位段移动指令

BFM	BFM Wd, Wn, #r, #s if s>=r then Wd = Wn, else  Wd<32+s-r,32-r> = Wn.
SBFM
UBFM
BFI
BFXIL
SBFIZ
SBFX
UBFX
UBFZ

 

6.2.6.6 移位运算指令

ASR	算术右移 >> （结果带符号）
LSL	逻辑左移 <<
LSR	逻辑右移 >>
ROR	循环右移：头尾相连
SXTB	字节、半字、字符号/0扩展移位运算 关于SXTB #imm和UXTB #imm 的用法可以使用以下图解描述：
SXTH
SXTW
UXTB
UXTH

 

 

6.2.7 Load/Store指令

对齐 偏移	非对齐 偏移	PC-相对 寻址	访问 一对	非暂存	非特权	独占	Acquire Release
LDR	LDUR	LDR	LDP	LDNP	LDTR	LDXR	LDAR
LDRB	LDURB	LDRSW	LDRSW	STNP	LDTRB	LDXRB	LDARB
LDRSB	LDURSB		STP		LDTRSB	LDXRH	LDARH
LDRH	LDURH				LDTRH	LDXP	STLR
LDRSH	LDURSH				LDTRSH	STXR	STLRB
LDRSW	LDURSW				LDTRSW	STXRB	STLRH
STR	STUR				STTR	STXRH	LDAXR
STRB	STURB				STTRB	STXP	LDAXRB
STRH	STURH				STTRH		LDAXRH
							LDAXP
							STLXR
							STLXRB
							STLXRH
							STLXP

 

6.2.7.1 寻址方式

类型	立即数偏移	寄存器偏移	扩展寄存器偏移
基址寄存器（无偏移）	{ base{，#0 } }
基址寄存器 （+ 偏移）	{ base{，#imm } }	{ base，Xm{，LSL #imm } }	[base，Wm，(S|U)XTW {#imm }]
Pre-indexed (事先更新)	[ base，#imm ]!
Post-indexed （事后更新）	[ base，#imm ]	{ base },Xm
PC-相对寻址	label

6.2.7.2 Load/Store (Scaled Offset)

支持的寻址方式

对齐的，无符号#imm12偏移，不支持pre-/post-index 操作

非对齐，带符号#imm9偏移，支持pre-/post-index 操作

对齐or非对齐的64bit寄存器偏移

对齐or 非对齐的32bit寄存器偏移

 

Zero-Extend / Sign-Extend
0 扩展	从Memory读取一个无符号32位Wn数据写到一个64位Xt寄存器中，Wn数据被存储到Xt[31:0]，Xt[63:32]使用0代替
符号扩展	从Memory读取一个有符号32位Wn数据写到一个64位Xt寄存器中，Wn数据被存储到Xt[31:0]，Xt[63:32]使用Wn的符号位值（Wn[31]）代替

 

LDR	从Memory地址addr中读取双字/字节/半字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中 带”S”表示需要符号扩展.
LDRB
LDRSB
LDRH
LDRSH
LDRSW
STR	把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中
STRB
STRH

 

6.2.7.3 Load/Store (Unscaled Offset)

• 所谓Scaled 和Unscaled其实就是可以见到理解为对齐和非对齐，本质就是是否乘以一个常量，因为scaled的总是可以乘以一个常量来达到对齐，而Unscaled就不需要，是多少就多少，更符合人类自然的理解

支持的寻址方式

• 非对齐的，有符号#simm9偏移，不支持pre-/post-index 操作

 

LDUR	从Memory地址addr中读取双字/字节/半字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中 带”S”表示需要符号扩展. 立即数偏移 #simm9 = { -256 ~ +256 } 的任意整数，不需要对齐规则.
LDURB
LDURSB
LDURH
LDURSH
LDURSW
STUR	把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中 立即数偏移 #simm9 = { -256 ~ +256 } 的任意整数，不需要对齐规则.
STURB
STURH

 

6.2.7.4 Load/Store PC-relative（PC相对寻址）

支持的寻址方式

• 不支持pre-/post-index 操作

 

LDR	从Memory地址addr中读取双字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中 带”S”表示需要符号扩展.
LDRSW

6.2.7.5 Load/Store Pair(一对)

支持的寻址方式

• 对齐的，有符号#simm7偏移，支持pre-/post-index 操作

 

LDP	从Memory地址addr处读取两个双字/字数据到目标寄存器Xt1，Xt2 带”S”表示需要符号扩展.
LDRSW
STP	把Xt1，Xt2两个双字/字数据写到Memory地址addr中

 

6.2.7.6 Load/Store Non-temporal(非暂存) Pair

• 所谓Non-temporal就是就是用于你确定知道该地址只加载一次，不需要触发缓存，避免数据被刷新，优化性能，其它指令都默认会写Cache

支持的寻址方式

• 对齐的，有符号#simm7偏移，不支持pre-/post-index 操作

 

LDNP	从Memory地址addr处读取两个双字/字数据到目标寄存器Xt1，Xt2, 标注非暂存访问，不更新cache 带”S”表示需要符号扩展.
STNP	把Xt1，Xt2两个双字/字数据写到Memory地址addr中，标注非暂存访问，不更新cache

 

6.2.7.7 Load/Store Unprivileged（非特权）

• 所谓Unprivileged就是说EL0/EL1的内存有不同的权限控制，这条指令以EL0的权限存取，用于模拟EL0的行为，该指令应用于EL1和EL0之间的交互.

支持的寻址方式

• 非对齐的，有符号#simm9偏移，不支持pre-/post-index 操作

 

LDTR	从Memory地址addr中读取双字/字节/半字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 当执行在EL1的时候使用EL0的权限 带”S”表示需要符号扩展
LDTRB
LDTRSB
LDTRH
LDTRSH
LDTRSW
STTR	把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中， 当执行在EL1的时候使用EL0的权限
STTRB
STTRH

 

6.2.7.8 Load/Store Exclusive（独占）

• 在多核CPU下，对一个地址的访问可能引起冲突，这个指令解决了冲突，保证原子性(所谓原子操作简单理解就是不能被中断的操作)，是解决多个CPU访问同一内存地址导致冲突的一种机制。

比如2个CPU同时写，其中一条的Ws就会返回失败值。通常用于锁，比如spinlock，可以参考代码：arch/arm64/include/asm/spinlock.h

 

支持的寻址方式

• 无偏移基址寄存器，不支持pre-/post-index 操作

 

LDXR	从Memory地址addr中读取双字/字节/半字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 标记物理地址是独占访问的
LDXRB
LDXRH
LDXP	从Memory地址addr中读取一对双字数据到目标寄存器Xt1，Xt2中，标记物理地址是独占访问的
STXR	把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中， 返回是否独占访问成功状态（Ws）
STXRB
STXRH
STXP	把Xt1，Xt2一对双字字数据写入到Memory地址addr中，返回是否独占访问成功状态

 

6.2.7.9 Load-Acquire/Store-Release

Load-Acquire Acquire的语义是读操作	相当于半个DMB指令，只管读内存操作
Store-Release Release的语义是写操作	相当于半个DMB指令，只管写内存操作

 

支持的寻址方式

• 无偏移基址寄存器，不支持pre-/post-index 操作

 

Non-exclusive(非独占)
LDAR	从Memory地址addr中读取一个双字/字节/半字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 标记物理地址为非独占访问
LDARB
LDARH
STLR	把一个双字/字节/半字数据Xt/Wt写到Memory地址addr中， 返回是否独占访问成功状态
STLRB
STLRH
Exclusive(独占)
LDAXR	从Memory地址addr中读取一个双字/字节/半字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 标记物理地址为独占访问   LDAXP 是Pair 访问
LDAXRB
LDAXRH
LDAXP
STLXR	把一个双字/字节/半字数据Xt/Wt写到Memory地址addr中， 返回是否独占访问成功状态   STLXP 是Pair 访问
STLXRB
STLXRH
STLXP

 

6.2.8 屏障指令

DMB	数据内存屏障指令	保证该指令前的所有内存访问结束，而该指令之后引起的内存访问只能在该指令执行结束后开始，其它数据处理指令等可以越过DMB屏障乱序执行
DSB	数据同步屏障指令	DSB比DMB管得更宽，DSB屏障之后的所有得指令不可越过屏障乱序执行
ISB	指令同步屏障指令	ISB比DSB管的更宽，ISB屏障之前的指令保证执行完，屏障之后的指令直接flush掉再重新从Memroy中取指

 

• 以DMB指令为例介绍屏障指令原理.

ADD X1，X2，X3       ------(A) LDR X4，addr         ------(B) STR X6，addr2 DMB         -----(DMB) LDR X5，addr3        ------(C) STR X7，addr4 SUB X8，X9，#2     ------(D)	左边程序中，因为有（DMB）的屏障作用，（C）必须要等（B）执行完成后才可以执行，保证执行顺序。而（A)、(D)不属于Memory access指令，可以越过DMB屏障 乱序执行;
	而结合到Load-Acquire/Store-Release，可以分别理解为半个DMB指令，Load-Acquire只管Memory read，而Store-Release只管Memroy write，组合使用可以增加代码乱序执行的灵活性和执行效率.

 

6.3 A32 & T32指令集

6.3.1 跳转指令

B	条件跳转
BL	跳转前会把当前指令的下一条指令保存到 R14 （lr）
BX	只能用于寄存器寻址，寄存器最低位值用于切换 ARM/Thumb 工作状态，ARM/Thumb 的切 换只能通过跳转实现，不能通过直接 write register 方式实现.
BLX	BL & BX 的并集
CBNZ	比较非 0 跳转
CBZ	比较为 0 跳转
TBNZ	测试位比较非 0 跳转
TBZ	测试位比较 0 跳转
BLR	带返回的寄存器跳转
BR	跳转到寄存器
RET	返回到子程序

 

6.3.2 异常产生、返回指令

• 参考A64指令集.

6.3.3 系统寄存器指令

• 参考A64指令集.

6.3.4 系统寄存器指令

• 参考A64指令集.

6.3.5 数据处理指令

• 参考A64指令集.

6.3.6 Load/Store指令

6.3.6.1 寻址方式

Offset addressing	偏移寻址(reg or #imm)	[ , ]
Pre-indexed addressing	事先更新寻址，先变化后操作	[ , ]!
Post-indexed addressing	事后更新寻址，先操作后变化	[],

 

6.3.6.2 Load /Store

Normal		非特权		独占		Load Acquire	Store Release	独占
								Acquire	Release
LDR	STR	LDRT	STRT	LDREX	STREX	LDA	STL	LDAEX	STLEX
LDRH	STRH	LDRHT	STRHT	LDREXH	STREXH	LDAH	STLH	LDAEXH	STLEXH
LDRSH		LDRSHT
LDRB	STRB	LDRBT	STRBT	LDREXB	STREXB	LDAB	STLB	LDAEXB	STLEXB
LDRSB		LDRSBT
LDRD	STRD			LDREXD	SETEXD			LDAEXD	STLEXD

 

• LDRD/ STRD 和A64的LDP/STP 用法类似，表中的D(Dua)关键字和A64的P(Pair)关键字是一个意思，都是指操作一对寄存器.

• 以上指令用法和A64类似.

6.3.6.3 Load /Store(批量)

LDM	LDM {Cond} {类型} 基址寄存器{！},寄存器列表{^} 从指定内存中加载批量数据到寄存器堆
STM	STM {Cond} {类型} 基址寄存器{！},寄存器列表{^} 把寄存器堆中批量数据存储到指定内存地址
PUSH	批量压入栈
POP	批量弹出栈

 

类型	助记符	指令	Note
地址 变化 方式	IA	LDMIA/STMIA	先操作，后递增4字节
	IB	LDMIB/STMIA	先递增4字节，后操作
	DA	LDMDA/STMDA	先操作，后递减4字节
	DB	LDMDB/STMDB	先递减4字节，后操作
栈操作	FD	LDMFD/STMFD	满递减堆栈，SP指向最后一个元素
	FA	LDMFA/STMFA	满递增堆栈，SP指向最后一个元素
	ED	LDMED/STMED	空递减堆栈，SP指向将要压入数据的空地址
	EA	LDMEA/STMEA	空递增堆栈，SP指向将要压入数据的空地址

•关于数据栈类型

满递减	堆栈首部是高地址，堆栈向低地址增长。SP总是指向堆栈最后一个元素（最后一个元素是最后压入的数据）
满递增	堆栈首部是低地址，堆栈向高地址增长。SP总是指向堆栈最后一个元素（最后一个元素是最后压入的数据）
空递减	堆栈首部是低地址，堆栈向高地址增长。SP总是指向下一个将要放入数据的空位置
空递增	堆栈首部是高地址，堆栈向低地址增长。SP总是指向下一个将要放入数据的空位置

 

• LDM/STM可以实现一次在一片连续的存储器单元和多个寄存器之间传送数据，批量加载指令用于将一片连续的存储器中的数据传送到多个寄存器，批量存储指令完成相反的操作
• {!}为可选后缀，若选用，则当数据传送完毕之后，将最后的地址写入基址寄存器，否则基址寄存器的内容不改变，基址寄存器不允许为R15(PC)，寄存器列表可以为R0 ~ R15的任意组合
• {^}为可选后缀，当指令为LDM且寄存器列表中包含有R15，选用该后缀表示：除了正常的数据传送之外，还将SPSR复制到CPSR,同时，该后缀还表示传入或传出的是用户模式下的寄存器，而不是当前模式下的寄存器
LDMIA R0!, {R1-R4}     // R1<----[R0]                                // R2<----[R0 + 4]                                // R3<----[R0 + 8]                                // R4<----[R0 + 12]	LDMIA R0!, {R1-R4}      // R1<----[R0]                                 // R2<----[R0 + 4]                                 // R3<----[R0 + 8]                                 // R4<----[R0 + 12]
STMFD  SP！，{R0-R3}   //[R0]<----[SP] //[R1]<----[SP + 4] //[R2]<----[SP + 8] //[R3]<----[SP + 12]	LDMFD SP!, {R6-R8}      // R6<----[SP]                                  // R7<----[SP + 4]                                 // R8<----[SP + 8]

 

6.3.7 IT(if then)指令

• 基本格式：IT{{{}}}{} 

• T32中的IT指令用于根据特定条件来执行紧跟其后的1-4条指令，其中X,Y,Z分别是执行第二、三、四条指令的条件，可取的值为T（then）或E(else)，条件的值控制指令的执行逻辑.

T表示条件为TRUE则执行对应指令，E 表示为FALSE执行对应指令，如下例子描述.

ITETT   EQ	据EQ（N==1）的条件是否成立判断，2、3、4执行逻辑分别是E、T、T
MOVEQ   R0, #1  // 1	若EQ为真(N==1),则执行 1、3、4（T）的MOV操作，否则执行2(E)的MOV操作 E T T
MOVNE   R0, #0  // 2
MOVEQ   R1, #0  // 3
MOVEQ   R2, #0  // 4

 

6.3.8 协处理器指令

CDP	数据操作指令，用于ARM通知协处理器执行特定操作
LDC	数据加载指令，用于源寄存器所指向的Mem数据传送到目标寄存器
STC	数据存储指令，用于源寄存器所指向的数据传送到目标寄存器所指向的Mem中
MCR	数据传送指令，ARM寄存器 => 协处理器寄存器
MRC	数据传送指令，ARM寄存器 <= 协处理器寄存器

 

6.4 指令编码

• A32

• T32-16bit

• T32-32bit

• A64

6.4.1 A32编码

• 基本格式

固定32bit编码，要求字对齐

位于[31:28] 的4bit宽条件码

op1位段控制指令类型：数据处理、load/store、跳转、协处理器指令…

Rd/Rn宽度为4bit，寄存器可访问范围R0-R15 ，R15(PC)通常不做通用寄出去用途.

 

6.4.2 T32-16bit编码

• 基本格式

 

固定13bit编码，要求半字对齐

位于[15:10] 的5bit决定指令类型，详见Datasheet F3.4/P2475.

没用cond条件码位.

Rd/Rn宽度为3bit，寄存器可访问范围R0-R7

 

6.4.3 T32-32bit编码

• 基本格式

 

固定32bit宽编码，由两个连续16bit半字组合而成，要求半字对齐

第一个半字的高三位固定为111，Op2位段决定指令类型,

如果op1 == 00，那么表示会被编码位16bit指令，否则是32bit指令

Rd/Rn宽度为4bit，寄存器可访问范围R0-R14

 

6.4.4 A64编码

• 以ADD指令为例

固定32bit宽编码，若sf == 0则表示32bit指令，否则表示64bit指令

Rd/Rn宽度为5bit，寄存器可访问范围X0-X30

对比A32指令很少cond位.

详细参考Datasheet C4章节.

 

6.4 汇编代码分析

• 以memcpy.S为例，分析笔记如下：

http://note.youdao.com/share/?id=f7976e6571ceae443da4e36d28842dcb&type=note

 

                                    第7章 流水线

7.1 简介

1、不能减少单指令的响应时间，和single-cycle指令的响应时间是相同的

2、多指令同时使用不同资源，可提升整体单cycle内的指令吞吐量，极大提高指令执行效率

3、指令执行速率被最慢的流水线级所限制，执行效率被依赖关系限制影响

7.1.1 简单三级流水线

IF	Instruction fetch	取指
ID	Instruction decode & register file read	译码 & 读取寄存器堆数据
EX	Execution or address calculation	执行 or 地址计算

 

图示：

 

7.1.2 经典五级流水线

IF	Instruction fetch	取指
ID	Instruction decode & register file read	译码 & 读取寄存器堆数据
EX	Execution or address calculation	执行 or 地址计算
MEM	Data memeory access	读写内存数据
WB	Write back	数据写回到寄存器堆

 

图示：

 

7.2 流水线冲突

类型	Note	解决方法
结构冲突	不同指令同时占用问储器资源冲突，早期处理器程序、数据存储器混合设计产生的问题。	分离程序、数据存储器，现代处理器已不存在这种冲突
数据冲突	不同指令同时访问同一寄存器导致，通常发生在寄存器 RAW（read after write）的情况下， WAR(write after read) & WAW(write after write) 的情况再ARM不会发生.	• SW插入NOP，增加足够的cycle等待，但是对CPU性能有大影响 • HW 使用forwarding（直通）解决，对性能影响小
控制冲突	B指令跳转，导致其后面的指令的fetch等操作变成无用功，因此跳转指令会极大影响CPU性能.	• SW插入NOP，增加足够的cycle等待，同样对CPU性能有大影响 • 使用分支预测算法来减少跳转带来的性能损失

 

7.3 指令并行

• 指令并行提升方法

1、增加单条流水线深度，若是N级流水线，那么在single-cycle内有N条指令被执行.

2、Pipeline并行，若有M条流水线，每条流水线深度为N，那么single-cycle内有M*N条指令被执行，极大提升指令执行效率.