ARM架构的基本知识

ARM两种授权

• 体系结构授权, 一种硬件规范, 用来约定指令集, 芯片内部体系结构(内存管理, 高速缓存管理), 只约定每一条指令的格式, 行为规范, 参数, 客户根据这个规范自行设计与之兼容的处理器
• 处理IP授权, ARM公司根据某个版本的体系结构设计处理器, 再把处理器设计方案授权给客户

ARM体系结构又根据不同的应用场景分为3种系列

• A系列: 面向性能密集型系统的应用处理器内核
• R系列: 面向实时应用的高性能内核
• M系列: 面向各类嵌入式应用的微控制内核

ARMv8体系结构中的基本概念

ARM处理器实现的是精简指令集体系结构。在ARMv8体系结构中有如下一些基本概念和定义。

• 处理机（Processing Element，PE）：在ARM公司的官方技术手册中提到的一个概念，把处理器处理事务的过程抽象为处理机。
• 执行状态（execution state）：处理器运行时的环境，包括寄存器的位宽、支持的指令集、异常模型、内存管理以及编程模型等。ARMv8体系结构定义了两个执行状态。
  • AArch64：64位的执行状态。
    • 提供31个64位的通用寄存器。提供64位的程序计数（Program Counter，PC）指针寄存器、栈指针（Stack Pointer，SP）寄存器以及异常链接寄存器（Exception Link Register，ELR）。
    • 提供A64指令集。定义ARMv8异常模型，支持4个异常等级，即EL0～EL3。
    • 提供64位的内存模型。定义一组处理器状态（PSTATE）用来保存PE的状态。
  • AArch32：32位的执行状态。
    • 提供13个32位的通用寄存器，再加上PC指针寄存器、SP寄存器、链接寄存器（Link Register，LR）。
    • 支持两套指令集，分别是A32和T32（Thumb指令集）指令集。
    • 支持ARMv7-A异常模型，基于PE模式并映射到ARMv8的异常模型中。
    • 提供32位的虚拟内存访问机制。
    • 定义一组PSTATE用来保存PE的状态。
• ARMv8指令集：ARMv8体系结构根据不同的执行状态提供不同指令集的支持。A64指令集：运行在AArch64状态下，提供64位指令集支持。A32指令集：运行在AArch32状态下，提供32位指令集支持。T32指令集：运行在AArch32状态下，提供16位和32位指令集支持。
• 系统寄存器命名：在AArch64状态下，很多系统寄存器会根据不同的异常等级提供不同的变种寄存器。系统寄存器的使用方法如下。

<register_name>_Elx  //最后一个字母 x 可以表示0、1、2、3

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。

ARMv8处理器执行状态

ARMv8处理器支持两种执行状态——AArch64状态和AArch32状态

AArch64状态是ARMv8新增的64位执行状态，而AArch32是为了兼容ARMv7体系结构的32位执行状态

AArch42执行状态

支持16个32位的通用寄存器

ARMv8体系架构下AArch64执行状态

异常等级

确定了处理器当前运行特权级别

• EL0：用户特权，用于运行普通用户程序。
• EL1：系统特权，通常用于操作系统内核。如果系统使能了虚拟化扩展，运行虚拟机操作系统内核。
• EL2：运行虚拟化扩展的虚拟机监控器（hypervisor）。
• EL3：运行安全世界中的安全监控器（secure monitor）
• 

ARMv8体系结构允许切换应用程序的运行模式。如在一个运行64位操作系统的ARMv8处理器中，我们可以同时运行A64指令集的应用程序和A32指令集的应用程序，但是在一个运行32位操作系统的ARMv8处理器中就不能运行A64指令集的应用程序了。

当需要运行A32指令集的应用程序时，需要通过一条管理员调用（Supervisor Call，SVC）指令切换到EL1，操作系统会做任务的切换并且返回AArch32的EL0，从而为这个应用程序准备好AArch32状态的运行环境。

通用寄存器

支持31个64位的, 分别是X0 ~ X30

可以使用W来表示低32位的数据, W0表示X0寄存器的低32位数据, W1表示X1寄存器的低32位数据

特殊寄存器

系统寄存器

ARMv8体系结构支持如下7类系统寄存器：

• 通用系统控制寄存器；
• 调试寄存器；
• 性能监控寄存器；
• 活动监控寄存器；
• 统计扩展寄存器；
• RAS寄存器；
• 通用定时器寄存器。

系统寄存器支持不同的异常等级的访问，通常系统寄存器会使用“Reg_ELn”的方式来表示。

• Reg_EL1：处理器处于EL1、EL2以及EL3时可以访问该寄存器。
• Reg_EL2：处理器处于EL2和EL3时可以访问该寄存器。
• 大部分系统寄存器不支持处理器处于EL0时访问，但也有一些例外，如CTR_EL0。

数据类型

支持的数据宽度

字节(8bit), 半字(16bit), 字(32bit), 双字(64bit)，四字(128bit)