ARM V8 SPEC A1.1 ARM V8 架构的简介

ARM V8 SPEC A1.1 ARM V8 架构的简介

第一节：ARM 架构基本概念
第二节：ARM架构提供的数据类型
第三节：高级SIMD和浮点
第四节：ARM的memory model引言

---

---

前言

平时做ARM cpu性能分析，国内ARM相关的新资料很少，所以在学习的过程中，将自己的理解记录下，供ARM新人参考

---

第一节：ARM架构基本概念

arm reference 是对processing element简称（PE）行为的定义， PE可以理解为处理单元，重点是行为的定义，而不是具体设计的定义或者限制，此外也对软件开发者使用ARM PE进行了说明。

此外ARM还有用于debug的架构，trace（追踪）架构，后面章节介绍.
由于ARM架构具有：1，统一的寄存器文件；2.load,store的架构，数据的运算仅在寄存器上进行；3，简单的地址模式，所有的地址来源于寄存器的内容和指令的filed.所以arm架构属于精简指令集。
此外架构还定义了PE和memory的交互行为，其中包括了cache, memory translation。
【关键名字释义】

1. AArch64: 64-bit execution state; 地址保存在64-bit registers;31 个通用寄存器，X30是程序链接寄存器，提供了64 bit的PC， SP，以及异常链接寄存器，提供了32个128bit的SIMD向量和浮点寄存器；定义了ARM8的异常模型；支持64bit的虚拟地址；定义了一些PSTATE的寄存器来存储PE state；定义了不同级别的系统寄存器；仅支持一个指令集：A64
2. AArch32: 32-bit execution state; 地址保存在32-bit registers；13个32bit 的通用寄存器；32个64bit的SMID寄存器和浮点寄存器；…etc；支持两个指令集：A32和T32（32和16bit混用的指令编码）
3. ARM: Application profile(VMSA); Real-time profile(PMSA); Microcontroller profile;
4. Excution state:执行环境，包括：支持的寄存器位宽，支持的指令集，其中最重要的部分包括：异常模型，VMSA，程序员的模型,其中很重要的一种环境是是执行在AArch64还是32，对于AArch64:
5. system register： 提供了控制和info;系统寄存器主要包含以下三个部分：1.系统通用控制寄存器；2.debug寄存器；3；时钟寄存器；4.pmr，性能监测寄存器；5.活动检测寄存器；6，trace 寄存器；7,GIC（General interrupt control）系统寄存器
6. ARM V8 debug ：ARM V8支持self-host debug(PE自己产生debug exception) 以及 external debug（debug event 自己产生debug state, PE是被外部控制下产生debug expection;这两者的使用场景不同，前者一般使用在应用后期维护中，后者使用在开发阶段。

第二节：ARM架构支持的数据类型

此外还支持：
半精度，单精度，双精度，四精度 以及定点数据类型，向量这些数据类型都存储在通用系统寄存器以及SIMD&FP 寄存器（128bit）,那如何判断某个时刻某个寄存器的数据宽度，或者说数据类型呢？
通过execution state可以判断：
对于AArch64:
通用寄存器一般作为64bit或者低32bit,SMID和浮点寄存器，四精度仅在SMID中，AArch64支持128Bit，有效位是64还是128取决于A64指令集的
对于AArch32:
通用寄存器支持32bit, 支持向量格式，不支持128bit的四精度

1. 向量格式：
   SMID&FP的寄存器可以包含1个或多个元素，类型和大小一样。寄存器和数据类型综合起来形成了这个向量元素，这样的向量被看作数组；
   在AArch64的支持三种：
   
   
   对于AArch32：
   
   
   邻近的两个64double word的寄存器可以组成一个四word的寄存器；
2. 半精度浮点格式
   这里有两种格式一种是IEEE的格式，一种是ARM自定义的格式，其中FPCR.AHP控制AArch64 state, FPSCR.AHP控制AArch32 state.两种state下，16bit的半精度的格式相同都是
   
   在这些值取不同的范围时，在架构上的取值有不同的定义：exponent为5位的二进制，其最大值为11111=0x1F
   当0
   这种格式下的最小值是：2的14次方 即 expontent 为1expo， S=0 fraction=0 等于6.104*10^-5
   最大值为：
   当exponent为0时，
   
   当exponent = 0x1F时：（为什么？）
   
3. 单精度浮点格式
4. 双精度浮点格式
5. BFloat16 floating-point format
6. FIX-point format
   主要用于浮点和定点间的转换，可以是sign或者unsign …

第三节：高级SIMD和浮点

在AArch32状态下，在SIMD和FP寄存器上运行的SIMD指令被描述为高级SIMD指令，以区别于在32位通用寄存器上运行的基本指令集，A64不提供任何在通用寄存器上运行的SIMD指令，因此，一些AARch64上描述的SIMD即指的是运行在SIMD寄存器和FP寄存器上的SIMD指令。

AArch64	AArch32
单精度，双精度	仅单精度
当FEAT_FP16配置时，可以有half-precision arithmetic	当FEAT_FP16配置时，可以有half-precision arithmetic

对于SIMD浮点计算指令，仍然遵从IEEE754浮点计算的规范：

• 非标准格式的会被flush to zero
• 只有默认格式的NaN会被支持
• 舍入到最近数的模式启用
• 未限制浮点异常处理用于所有的浮点异常

如何系统支持浮点异常trapping，例如溢出，除零，可以被处理without trapping，这可以应用于SIMD和浮点操作
在AArch64的状态下，以下这些寄存器用于控制浮点计算并返回浮点状态信息：

• FPCR
  AHP用于控制半精度计算
  DN用于控制NAN
  {FZ,FZ16}用于控制Flush-to-ZERO的行为
  Rmode用于控制Rounding mode
  此外还有其他的异常tarp的控制寄存器field
• FPSR(浮点状态寄存器)
  累计浮点异常flag,AArch32 浮点异常flags

（1）SMID支持的指令

• 单个element的load和store，以及向量的多个element
• 数据处理指令
• 复数运算
• 不同精度浮点转换
• 浮点，定点，以及整数类型
• 浮点rounding

(2) 浮点的标准和术语

RM round toward Minus Infinity 向负无穷的舍入
RP round toward Plus Infinity 向正无穷的舍入
RZ 向0舍入
RN向最近舍入

（3）ARM标准的浮点输入和输出值

1. input:
   zeros，Nornalized number,denormalized的数据会被flush到0，NAN,无穷
2. output:
   zeros,normalized number, 小于最小值的数会被flush to zero,default NaN

（4）Flush to zero

暂不详述

（5）NaN handling and default NaN

暂不详述

（6）Round to odd mode

暂不详述

第四节 ARM memory model引言

ARM memory model 支持以下特性：
1.非对其地址访问产生异常
2.限制不同应用的访问权限
3.将VA转换为PA
4.切换大小端
5.控制访问memory的顺序
6.控制cache 和地址转换的结构
7.多个PE时对共享memory 的访问进行同步和协调
8.用于阻止投机访问的Barriers机制

虚拟地址的空间由AARCH64/32 以及EL0/1共同决定，不同的EL级别是分开控制的。PA（物理地址）是由实际设计决定的。
以下章节讲解了 AArch64的memory model：
B2（The AArch64 Application level model）,
D4(The AArch64 System level memmory model),
D5（The AArch64 Virtual memory System Architecture）

总结

ARM spec 第一章主要是一些简介，包括对INT，SMID, FP 以及memory model 的目录式的介绍，可以理解为一本引言