当前位置:首页 > 嵌入式培训 > 嵌入式学习 > 讲师博文 >
新ARM处理器架构
时间:2018-08-09作者:华清远见

2011年11月,ARM公司发布了新一代处理器架构ARMv8的部分技术细节。这是ARM公司的首款支持64位指令集的处理器架构。由于ARM处理器的授权内核被广泛用于手机等诸多电子产品,故ARMv8架构作为下一代处理器的核心技术而受到普遍关注。ARM将在2012年间推出基于ARMv8架构的处理器内核并开始授权,而面向消费者和企业的样机于2013年由苹果的A7处理器上首次运用。

ARM-v8是在32位ARM架构上进行开发的,将被首先用于对扩展虚拟地址和64位数据处理技术有更高要求的产品领域,如企业应用、高档消费电子产品。

ARMv8架构包含两个执行状态:AArch64和AArch32。AArch64执行状态针对64位处理技术,引入了一个全新指令集A64;而AArch32执行状态将支持现有的ARM指令集。目前的ARMv7架构的主要特性都将在ARMv8架构中得以保留或进一步拓展,如:TrustZone技术、虚拟化技术及NEON advanced SIMD技术,等。

配合ARMv8架构的推出,ARM正在努力确保一个强大的设计生态系统来支持64位指令集。ARM的主要合作伙伴已经能够获得支持ARM-v8架构的ARM编译器和快速模型(Fast Model)。在新架构的支持下,对一系列开源操作系统、应用程序和第三方工具的初始开发已经在开展中。通过合作,ARM合作伙伴们共同加速64位生态系统的开发,在许多情况下,这可视为是对现有支持基于ARMv7架构产品的广泛生态系统的自然延伸。

ARM-v8架构属于64位架构,向下兼容ARM-v7架构。ARM-v8架构支持两种类型的ARM指令集,一种是Aarch64位指令集,一种是Aarch32位指令集。不管是那种类型的指令集,每条指令依然都是字(4字节)对齐。两种类型指令集的本质区别是工作寄存器的位数不同,Aarch32位指令集使用32bit工作寄存器,而Aarch64位指令集使用64bit工作寄存器。

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

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

A32状态下寄存器组织

新ARM8处理器架构

• 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

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

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    

ARMv8指令集

• A64指令集

• A32 & T32指令集

• 指令编码基本格式

<Opcode>{<Cond>}<S>  <Rd>, <Rn> {,<Opcode2>}

• 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)

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

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

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) ?

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
 


发表评论

全国咨询电话:400-611-6270,双休日及节假日请致电值班手机:15010390966

在线咨询: 曹老师QQ(3337544669), 徐老师QQ(1462495461), 刘老师 QQ(3108687497)

企业培训洽谈专线:010-82600901,院校合作洽谈专线:010-82600350,在线咨询:QQ(248856300)

Copyright 2004-2018 华清远见教育集团 版权所有 ,京ICP备16055225号,京公海网安备11010802025203号