• ARMv8是ARM版本升級(jí)以來(lái)最大的一次改變，ARMv8的架構(gòu)繼承以往ARMv7與之前處理器技術(shù)的基礎(chǔ)，除了現(xiàn)有的16/32bit的Thumb2指令支持外，也向前兼容現(xiàn)有的A32(ARM 32bit)指令集，擴(kuò)充了基于64bit的AArch64架構(gòu)，除了新增A64(ARM 64bit)指令集外，也擴(kuò)充了現(xiàn)有的A32(ARM 32bit)和T32(Thumb2 32bit）指令集；

• ARMv8擁有兩種執(zhí)行模式（two execution modes）：

1. AArch64 ：64-bit registers and memory accesses, new instruction set；

2. AArch32 ： backwards compatible with ARMv7-A；

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（一）A64新的指令和寄存器

1. 固定大小32位操作碼，清除基于5位寄存器說(shuō)明符的解碼表；

2. 可以擁有32位或者64位參數(shù)；

3. 地址設(shè)定為64位，主要針對(duì)LP64和LLP64數(shù)據(jù)模型；

4. 比AArch32擁有更少的條件指令，條件指令有：分支，比較，選擇；

5. 沒有LDM/STM（用于批量從內(nèi)存中讀取或者寫入數(shù)據(jù)）指令，添加LDP/STP指令來(lái)操作以降低復(fù)雜性及功耗；

6. 支持先進(jìn)的SIMD（Single-Instruction，Multiple-Data：?jiǎn)沃噶疃鄶?shù)據(jù)）和（FP浮點(diǎn)）；

7. 支持加密技術(shù)；

8. 可隨時(shí)訪問31個(gè)通用的64位寄存器 (X0-X30)，沒有banked（banked是指一個(gè)寄存器不同模式下會(huì)對(duì)應(yīng)不同的物理地址）的通用寄存器，堆棧指針(SP)，PC不是通用寄存器，附加專用的零寄存器(Xzr)；

9. AArch32狀態(tài)是使用CPSR來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前process執(zhí)行狀態(tài)，AArch64定義了一組PSTATE寄存器用以保存PE(Processing Element)狀態(tài)；

• AArch64 – Unbanked Registers：

• 左邊的通用寄存器用于：32位或者64位的整數(shù)運(yùn)算或者64位的尋址，右邊的用于浮點(diǎn)運(yùn)算； AArch64 Banked Registers：

• AArch64不在根據(jù)之前通過(guò)不同模式來(lái)區(qū)別banked寄存器，而是通過(guò)exception level； 下圖為AArch32和AArch64通用寄存器對(duì)應(yīng)關(guān)系：

（二）AArch64 Exception Model

• AArch64 Exception Model:

• Exception model nomenclature:

• 總共分為4 exception levels: EL3-EL0,在這種特權(quán)模式下EL0位權(quán)限最低模式，也就是用戶模式，Monitor（EL3）和Supervisor(EL2)，分別用于security擴(kuò)展和virtualization擴(kuò)展；；低level向高level切換通過(guò)exception的方式轉(zhuǎn)換，有如下exceptions：

1. Interrupts, page faults etc.

2. SVC for transition to EL1 (system calls)

3. HVC for transition to EL2 (hypervisor：超級(jí)監(jiān)督者 calls)

4. SMC for transition to EL3 (secure monitor call)

5. Dedicated ELR register for the return address (banked at each EL)；

• 而高level向低level則通過(guò)ERET指令；

• 低level的寄存器位寬不能大于高level：E.g. no 64-bit EL0 with 32-bit EL1；

對(duì)異常的處理：

1. Exception Link Register written on exception entry;

2. 異常有可能發(fā)生任何在exception level,EL1, EL2, and EL3有不同的向量表地址,之前的arm版本只有一個(gè)向量表地址；

3. 向量的區(qū)分是根據(jù)Exception type（synchronous, IRQ, FIQ or System Error）或者Exception origin (same or lower exception level) and register width；

4. Syndrome 寄存器提供了exceptions信息；

AArch32 and AArch64之間切換

• AArch32和AArch64之間的切換只能通過(guò)發(fā)生異?；蛘呦到y(tǒng)Reset來(lái)實(shí)現(xiàn)，A32 -> T32之間是通過(guò)BX指令切換的；

• 不同level之間的組合：

• AArch32 /AArch64 relationship：

1. Changes between AArch32 and AArch64 occur on exception/exception return only；

2. Allows AArch32 applications under AArch64 OS Kernel；

3. Allows AArch32 guest OS under AArch64 Hypervisor；

4. Allows AArch32 Secure side with AArch64 Non-secure side

AArch64 MMU Support

• 在ARMv8 64bit出現(xiàn)之前，我們用的都是32位尋址，每個(gè)地址單位對(duì)應(yīng)內(nèi)存一個(gè)字節(jié)單元(B),所以我們最大的尋址范圍為2^32B = 4GB,但是實(shí)際當(dāng)中，內(nèi)存設(shè)備有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4GB內(nèi)存空間，以前是通過(guò)LPAE（大物理地址擴(kuò)展）實(shí)現(xiàn)地址的擴(kuò)展，可以支持最大2^40的地址尋址范圍，ARMv8理論上最高可以提供提供了2^64個(gè)虛擬地址，但是超過(guò)16 Exabyte （2^4 * 2^60）意義并不大，所以選擇跟x86一樣，可以使用最大支持2^48虛擬地址的尋址范圍就足夠；

• ARM 32bits下會(huì)用TTBR0存儲(chǔ)User-Space行程所在的Page Table (也就是0xC0000000以下的存儲(chǔ)空間),并用TTBR1存儲(chǔ)Kernel Space所在的Page Table (也就是0xC0000000以上的存儲(chǔ)空間).

• 在ARMv8 64bits架構(gòu)下,會(huì)通過(guò)EL1的TTBR0 (ttbr0_el1, in /arch/arm64/mm/proc).存儲(chǔ)User-Space行程所在的Page Table,與EL1的TTBR1存儲(chǔ)Kernel Space所在的Page Table,并會(huì)依據(jù)Page Size與32/64bits行程而有不同的存儲(chǔ)空間配置. 參考如下圖所示：

• 由于ARM 64bit Kernel分頁(yè)大小為4kb和64kb兩種，通過(guò)設(shè)置TASK_SIZE_64 (/arch/arm64/include/asm/memory.h)來(lái)設(shè)定，當(dāng)分頁(yè)大小為4KB的時(shí)候，決定TASK_SIZE_64大小的VA_BITS會(huì)等于39,也就是2^39大小的Task空間(=512GB),若分頁(yè)大小為64KB時(shí),則TASK_SIZE_64對(duì)應(yīng)的VA_BITS等于 42,也就是2^42大小的Task空間(=4TB).

• 同時(shí)kernel空間也根據(jù)分頁(yè)大小來(lái)劃分內(nèi)核空間，可以參考下面的圖來(lái)區(qū)分：