基础篇(二).ARMv8寄存器（1）
ARMv8寄存器（1）
ARMv8寄存器实在太多了，本节主要针对系统软件常用的寄存器作为重点介绍。
1.ARMv8寄存器介绍
ARMv8架构（针对Core来说）至少有上千个寄存器，更别提Core外ＳＯＣ级外设寄存器。这两类寄存器的区别是：前者（不管通用寄存器还是系统寄存器）不占用地址空间，而后者是和内存统一编制的，要占用地址空间。
下面我们主要针对ARM Core内寄存器进行介绍。ARM核心寄存器可以分为：
- 通用寄存器。这类寄存器主要是用来暂存数据和参与运算。通过load\store指令操作。
- 状态寄存器。AArch64体系结构使用PSTATE寄存器表示当前处理器状态。
- 特殊寄存器。有专门的用途，用于控制处理器的行为，或表示CPU的状态。
- 系统寄存器。除了以上寄存器，ARMv8体系结构还定义了很多系统寄存器，用来完成对处理器不同功能的配置。对应ARMv7的cp15寄存器。
而系统寄存器，根据其功能又可以分为11种：
- 基本系统寄存器。
- 特殊目的寄存器。3个ELR， 4个SP， 8个SPSR。
- VMSA（虚拟内存架构）特殊寄存器。
- ID寄存器。
- 性能监控寄存器。
- DEBUG寄存器。
- RAS寄存器。
- 通用定时器寄存器。
- Cache维护相关寄存器。
- 地址转换寄存器。
- TLB维护寄存器。
- 分支预测寄存器。
2.重点寄存器
这么多寄存器很难记得住，我们只需要重点关注以下寄存器，其余寄存器用到时候再查手册。
| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| PSTATE | 程序状态寄存器 |
| SP_ELx(x>0) | 在EL1/EL2/EL3 level中，如果spsel=0，则使用SP_ELx(x>0) |
| SP_EL0 | 在所有level中，如果spsel=1, 则使用SP_EL0 |
| SPSR | 备份的程序状态寄存器 |
| ELR_ELx(x>0) | 异常链接寄存器，记录着异常时程序的返回地 |
| ESR_ELx(x>0) | 同步异常, 异常特征寄存器 |
| VBAR_ELx(x>0) | 向量表基地址寄存器 |
| TTBRn_ELx(n=1,2、x>0) | 地址翻译基地址寄存器，存放页表地址。 |
| MAIR_ELx(x>0) | 内存属性寄存器 |
| PAR_EL1 | 物理地址寄存器, 当使用指令操作MMU进行VA到PA的转换时，物理地址由PAR_EL1输出 |
| SCR_EL3 | 安全控制寄存器 |
| HCR_EL2 | Hypvisor控制寄存器 |
| SCTLR_ELx(x>0） | 系统控制寄存器 |
| TCR_ELx(x>0) | 地址翻译控制寄存器 |
3.通用寄存器
AArch64执行状态提供了31个在任何时间任何特权级下都可访问的64位的通用寄存器，分别是X0-X30。而AArch32状态支持16个32位的通用寄存器。
每个AArch64 64位通用寄存器（X0-X30）也具有32位（W0-W30）形式。
32位W寄存器取自相应的64位X寄存器的低32位。也就是说，W0映射到X0的低32位，W1映射到X1的低32位。
从W寄存器读取时，忽略相应X寄存器高32位，并保持其它不变。写入W寄存器时，将X寄存器的高32位设置为零。也就是说，将0xFFFFFFFF写入W0会将X0设置为0x00000000FFFFFFFF。
通用寄存器在ACPS中用法
除了用于数据运算和存储外，通用寄存器还在函数的调用过程中起到特殊作用，ARM64体系结构的函数调用标准和规范对此有约定，如下图所示。
说明：
- X0-X7 用于参数传递
- - [ ] X9-X15 在子函数中使用这些寄存器时，直接使用即可, 无需save/restore. 在汇编代码中x9-x15出现的频率极低。在子函数中使用这些寄存器时，直接使用即可, 无需save/restore.。在汇编代码中x9-x15出现的频率极低。
- X19-X29 在callee子函数中使用这些寄存器时，需要先save这些寄存器，在退出子函数时再resotre。在callee子函数中使用这些寄存器时，需要先save这些寄存器，在退出子函数时再resotre。
- X8, X16-X18, X29, X30 这些都是特殊用途的寄存器。
- – X8： 用于返回结果
- – X16、X17 ：进程内临时寄存器
- – X18 ：resrved for ABI
- – X29 ：FP（frame pointer register）
- – X30 ：LR
4.处理器状态 (PSTATE)
ARMv7中使用当前程序状态寄存器(CPSR)表示处理器当前状态。AArch64没有直接与之等价的寄存器。
在AArch64中，传统CPSR的组件作为可以独立访问的字段提供。这些状态被统称为处理器状态(PSTATE)。
该程序和备份程序状态寄存器(SPSR_ELx)是一对。当异常发生时，处理器会将PSTATE寄存器的值保存到当前异常级别对应的SPSR_ELx寄存器；当异常返回时(eret)，处理器会将SPSR_ELx寄存器的值恢复到PSTATE寄存器。这是硬件自动行为，不需要编程人员操作。
AArch64的处理器状态或PSTATE字段有以下定义：
上面的图不好，且容我从别处找个图。
条件判断相关的域
如cmp指令，tst指令，条件判断时用到这些标志位；还有像sbc等运算指令，会将标志位一并加入运算。
异常掩码标志位
- 1:表示屏蔽了这个异常
- 0：表示没有屏蔽这个异常
执行状态控制位
部分字段有专门对应的寄存器，如NZCV寄存器、CurrentEL寄存器。注意：EL0级别只能访问PSTATE.{N, Z, C, V}和PSTATE.{D, A, I, F}字段。
5.特殊寄存器
ARMv8支持的特殊寄存器：
部分寄存器还可以当作32位的使用：
5.1 备份程序状态寄存器（SPSR_ELx）
当异常发生时，处理器会将PSTATE寄存器的值保存到当前异常级别对应的SPSR_ELx寄存器；当异常返回时(eret)，处理器会将SPSR_ELx寄存器的值恢复到PSTATE寄存器。这是硬件自动行为，不需要编程人员操作。
AArch64下各域的含义：
- N 负数标志位，如果结果为负数，则N=1；如果结果为非负数，则N=0。
- Z 零标志位，如果结果为零，Z=1，否则Z=0。
- C 进位标志位
- V 溢出标志位
- SS 是否是能软件单步功能 ，若为1，说明在异常处理中软件单步功能开启
- IL 非法执行状态位
- D 程序状态调试掩码，在异常发生时的异常级别下，来自监视点、断点和软件单步调试事件中的调试异常是否被屏蔽。
- A SError(系统错误)掩码位
- I IRQ掩码位
- F FIQ掩码位
- M[4] 异常发生时的执行状态 ，0表示AArch64状态
- M[3:0] 异常发生时的模式或异常级别
在ARMv8中，写入的SPSR依赖于异常级别。如果异常发生在EL1，则使用SPSR_EL1。如果异常发生在EL2，则使用SPSR_EL2，如果异常发生在EL3，则使用SPSR_EL3。处理器核会在异常发生时填充SPSR。
注意： 与异常级别相关联的寄存器对ELR_ELn和SPSR_ELn保存着在较低异常级别执行期间的状态。
5.2 异常链接寄存器（ELR）
异常链接寄存器保存异常返回地址。在执行eret指令后，会将该寄存器的值赋值给PC。
5.3 CurrentEL寄存器
该寄存器表示PSTATE中的EL字段，其中保存了当前异常级别。使用MRS指令可以读取该寄存器。
- 0：表示EL0.
- 1：表示EL1
- 2：表示EL2.
- 3：表示EL3.
5.4 DAIF寄存器
该寄存器表示PSTATE中的{D, A, I, F}字段。使用MRS指令可以读取该寄存器。
5.5 SPSel寄存器
该寄存器表示PSTATE中的SP字段,用于在SP_EL0和SP_ELx中选择使用哪个。
5.6 PAN寄存器
该寄存器表示PSTATE中的PAN(Privileged Access Never, 特权禁止访问)字段。可以通过MSR和MRS指令读取和设置寄存器。这是ARMv8.1新增特性，为了防止内核态恶意访问用户态内存。
PAN寄存器的值如下：
- 0: 表示内核态可以访问用户态内存。
- 1：表示内核态访问用户态内存会触发一个访问权限异常。
5.7 UAO寄存器
该寄存器表示PSTATE中的UAO(User Access Override, 用户访问覆盖)字段。可以通过MSR和MRS指令读取和设置寄存器。
UAO值为1 ，表示在EL1和EL2执行非特权指令（如LDTR、STTR）的效果和特权指令（例如LDR、STR）是一样的。
5.8 NACV寄存器
该寄存器表示PSTATE中的{N, Z, C, V}字段。
5.9 PC (Program Counter，程序计数器) 寄存器
PC寄存器通常用来指向当前运行指令的下一条指令的地址。
在原来的ARMv7体系结构中，将通用寄存器R15作为程序计数器(PC)，同时作为一个通用寄存器使用。编程人员可以通过修改PC寄存器的值控制程序中指令的运行顺序。但这增加了编译器和复杂的流水线的设计困难。
在ARMv8中，PC不再作为一个命名的寄存器来访问，编程人员无法通过指令来直接访问它。但是，可以在某些指令中隐式的使用PC，如PC相对加载和地址生成（adrp等指令）。
5.10 零寄存器（WZR/XZR）
XZR：64位
WZR: 32位
当访问零寄存器时，所有写操作都被忽略(用于将一个结果丢弃)，所有读操作返回0。
5.11 栈指针寄存器（SP）
在ARMv8体系结构中，4个异常级别各有一个SP寄存器SP_ELn。认情况下，发生异常时会选择目标异常级别的SP_ELn作为栈指针。
- SP_EL0：程序在EL0时栈指针寄存器，EL0时只能使用此寄存器存放栈地址。
- SP_EL1：程序在EL1时默认栈指针寄存器。
- SP_EL2：程序在EL2时默认栈指针寄存器。
- SP_EL3：程序在EL3时默认栈指针寄存器。
EL0永远只能访问SP_EL0。其他异常级别ELx：
- 发生异常时，使用自己的SP_ELx寄存器存放栈地址；
- 可以将SP_EL0寄存器作为临时寄存器来使用，例如Linux内核使用该寄存器存放进程中task_struct数据结构指针。