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ARMV8體系結構簡介

ARMV8體系結構簡介

1.前言

本文的主要內容來源於ARMV8白皮書v5,對ARMV8做一個概述。包含如下的內容:

  • 首先從背景談起,講述ARM的發展歷程;
  • 之後介紹ARMV8體系結構的基本特徵;
  • 介紹A64指令集
  • 介紹異常級別
  • 介紹記憶體管理單元
  • 介紹程式設計暫存器
  • 介紹DEBUG相關
  • ARMV8生態系統的演化

2. 背景

圖 ARMV7之前體系結構與手機發展歷程

 

  • 從1995年,ARMV4(主要對應ARM7 family)開始到現在ARM RISC體系結構到現在已經演化了20多年。從設計一開始ARM就關注到了低功耗
  • 到2011年,所有的ARM-Cotex family都被設計成使用ARMV7架構。

ARM7:採用ARMV4架構

ARM9:ARMV4的變體

ARM11:ARMV4的變體

Cotex-A8:為了匹配不同的市場,ARMV7從Cotex-A8開始被劃分為三種屬性:Application-Profile、RealTime-Profile、Microcontroller-Profile

Cotex-A9:引入了多核

Cotex-A5:引入低功耗、低成本的網路互聯

Cotex-A7:引入了出色的能效管理,可以延長手機的續航時間

Cotex-A15:引入了很多可選的擴充套件,如LPAE、虛擬化、

  • 為何要引入ARMV8?

(1)考慮到ARMV7被市場廣泛接受,以及形成的成熟的生態,因此後續的體系結構升級需要做到向後相容;

(2)另外要讓廠商能夠願意將軟體系統遷移到新的體系結構,新的體系結構一定要有原體系結構不具有的優勢

(3)為了解決舊有架構遺留的問題,提供一種更加清晰的架構,同時考慮到將來的發展趨勢,採用一種全新的架構來實現

基於如上三點,確立了ARMV8的關鍵功能屬性

3. ARMV8架構基本特性

圖 不同ARM體系結構版本的演化

 

  • ARMV8目前只定義了Application profile
  • ARMV8定義了48bit符號虛擬地址和達到48bit實體地址
  • ARMV8採用了新的指令集A64
  • ARMV8相容ARMV7的指令
  • A32和A64的轉換隻能發生在異常級別轉換時

 4. A64指令集

  • A64下的每條指令被定義為固定32bit
  • A32和A64分別解碼,這樣可以簡化解碼錶,單獨的解碼錶可以允許更多更先進的分支預測技術
  • 通用目的暫存器增加到31個
  • A64刪除了LDM/STM指令,因為LDM/STM實現比較複雜
  • 更少的條件指令,因為實現複雜,並且沒有明顯的好處
  • 浮點單元硬體支援
  • SIMD支援,針對A64做了專門修訂,引入了雙精度浮點支援

5.異常級別

圖 異常級別

  • A32和A64之間的轉換有一個嚴格的規則集合
  • 異常級別增加,可以保持A32或升級到A64
  • A64引入了專門的暫存器ELR,用於記錄異常返回地址,在所有的異常入口會進行設定
  • 在異常入口,中斷mask會自動置位
  • 每個異常級別都有自己的向量基址暫存器,每個向量被按照型別區分:synchronous,IRQ,FIQ或Error
  • 關於異常的詳細細節在syndrome register

6. 記憶體管理單元

圖 ARMV8虛擬地址空間

  • 支援48bit虛擬地址和實體地址,這樣可以簡化硬體,可以只支援到4級頁表;
  • 支援4K和64K頁
  • 提供了兩種基地址,分別是核心空間和使用者空間
  • 使用者空間虛擬地址到實體地址的轉換需要經過兩個階段,分別是VA->IPA,IPA->PA

7.程式暫存器

表 ARMV8程式寄存存起A64與A32的對映

 

  •  30個通用暫存器(X0-X30),每個暫存器使64bits,其中X30是LR暫存器
  •  只有一個SP暫存器和ELR暫存器
  • SPSR
  • Pstate

8.DEBUG

  • 可以通過debugger偵錯程式直接傳送指令,處理器可以提取
  • 兩種型別的debug:self-host和halt mode debug

9.生態系統演變

TODO

10.參考文件

[1]http://www.arm.com/zh/files/downloads/ARMv8_white_paper_v5.pdf

 

轉自: https://www.cnblogs.com/smartjourneys/p/6829726.html