ARMv8 架构与指令集.学习笔记
第1章 ARMv8简介
1.1基础认识
ARMv8的架构继承以往ARMv7与之前处理器技术的基础，除了现有的16/32bit的Thumb2指令支持外，也向前兼容现有的A32(ARM 32bit)指令集，基于64bit的AArch64架构，除了新增A64(ARM 64bit)指令集外，也扩充了现有的A32(ARM 32bit)和T32(Thumb2 32bit）指令集，另外还新增加了CRYPTO(加密)模块支持。
1.2 相关专业名词解释
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AArch32 |
描述32bit Execution State |
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AArch64 |
描述64bit Execution State |
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A32、T32 |
AArch32 ISA （Instruction Architecture） |
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A64 |
AArch64 ISA （Instruction Architecture） |
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Interprocessing |
描述AArch32和AArch64两种执行状态之间的切换 |
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SIMD |
Single-Instruction, Multiple-Data （单指令多数据） |
(参考文档：ARMv8-A Architecture reference manual-DDI0487A_g_armv8_arm.pdf)
第2章 Execution State
2.1 提供两种Execution State
• ARMv8 提供AArch32 state和 AArch64 state 两种Execution State，下面是两种Execution State对比.
|
Execution State |
Note |
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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) |
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提供一个32bit异常链接寄存器ELR, 用于Hyp mode下的异常返回 |
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提供32个64bit SIMD向量和标量floating-point支持 |
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提供两个指令集A32（32bit）、T32（16/32bit） |
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兼容ARMv7的异常模型 |
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协处理器只支持CP10\CP11\CP14\CP15 |
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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 |
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提供一个64bit PC指针、堆栈指针SPx 、异常链接寄存器ELRx |
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提供32个128bit SIMD向量和标量floating-point支持 |
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定义ARMv8异常等级ELx（x<4）,x越大等级越高，权限越大 |
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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 |
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没有协处理器概念 |
2.2 决定Execution State的条件
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SPSR_EL1.M[4] 决定EL0的执行状态，为0 =>64bit ,否则=>32bit |
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HCR_EL2.RW 决定EL1的执行状态，为1 =>64bit ,否则=>32bit |
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SCR_EL3.RW确定EL2 or EL1的执行状态，为1 =>64bit ,否则=>32bit |
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AArch32和AArch64之间的切换只能通过发生异常或者系统Reset来实现.（A32 -> T32之间是通过BX指令切换的） |
第3章 Exception Level
• ARMv8定义EL0-EL3共 4个Exception Level来控制PE的行为.
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ELx（x<4），x越大等级越高，执行特权越高 |
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执行在EL0称为非特权执行 |
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EL2 没有Secure state，只有Non-secure state |
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EL3 只有Secure state，实现EL0/EL1的Secure 和Non-secure之间的切换 |
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EL0 & EL1 必须要实现，EL2/EL3则是可选实现 |
3.1 Exception Level 与Security
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Exception Level |
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EL0 |
Application |
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EL1 |
Linux kernel- OS |
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EL2 |
Hypervisor (可以理解为上面跑多个虚拟OS) |
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EL3 |
Secure Monitor(ARM Trusted Firmware) |
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Security |
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Non-secure |
EL0/EL1/EL2, 只能访问Non-secure memory |
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Secure |
EL0/EL1/EL3, 可以访问Non-secure memory & Secure memory,可起到物理屏障安全隔离作用 |
3.1.1 EL3使用AArch64、AArch32的对比
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Note |
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Common |
User mode 只执行在Non- Secure EL0 or Secure ELO |
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SCR_EL3.NS决定的是low level EL的secure/non-secure状态，不是绝对自身的 |
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EL2只有Non-secure state |
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EL0 既有Non-secure state 也有Secure state |
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EL3 AArch64 |
若EL1使用AArch32,那么Non- Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND} 模式执行在Non-secure EL1，Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND}模式执行在Secure EL1 |
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若 SCR_EL3.NS == 0,则切换到Secure EL0/EL1状态，否则切换到Non-secure ELO/EL1状态 |
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Secure state 只有Secure EL0/EL1/EL3 |
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EL3 AArch32 |
User mode 只执行在Non- Secure EL0 or Secure ELO |
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若EL1使用AArch32,那么Non- Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND} 模式执行在Non-secure EL1，Secure {SYS/FIQ/IRQ/SVC/ABORT/UND}模式执行在EL3 |
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|
Secure state只有Secure EL0/EL3，没有Secure EL1，要注意和上面的情况不同 |
• 当EL3使用AArch64时，有如下结构组合：
• 当EL3使用AArch32时，有如下结构组合：
3.2 ELx 和 Execution State 组合
•假设EL0-EL3都已经实现，那么将会有如下组合
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五类组合 |
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EL0/EL1/EL2/EL3 => AArch64 |
此两类组合不存在64bit –> 32bit之间的所谓 Interprocessing 切换 |
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EL0/EL1/EL2/EL3 => AArch32 |
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EL0 => AARCH32，EL1/EL2/EL3 => AArch64 |
此三类组合存在64bit –> 32bit之间的所谓 Interprocessing 切换 |
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EL0/EL1 => AArch32，EL2/EL3 => AArch64 |
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EL0/EL1/EL2 => AArch32，EL3 => AArch64 |
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组合规则 |
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字宽（ELx）<= 字宽（EL(x+1)） { x=0,1,2 } |
原则：上层字宽不能大于底层字宽 |
• 五类经典组合图示
3.3路由控制
• 如果EL3使用AArch64,则有如下异常路由控制
3.3.1 路由规则
• 路由规则如下图所示（from ARMv8 Datasheet）：
• 规则小结如下：
|
若SPSR_EL1.M[4] == 0，则决定ELO使用AArch64,否则AArch32 |
|
若SCR_EL3.RW == 1，则决定 EL2/EL1 是使用AArch64，否则AArch32 |
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若SCR_EL3.{EA, FIQ, IRQ} == 1，则所有相应的SError\FIQ\IRQ 中断都被路由到EL3 |
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若HCR_EL2.RW == 1，则决定EL1使用AArch64，否则使用AArch32 |
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若HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO} == 1，则EL1/EL0所有对应的SError\FIQ\IRQ中断都被路由到EL2,同时使能对应的虚拟中断VSE,VI,VF |
|
若HCR_EL2.TGE == 1，那么会忽略HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO}的具体值，直接当成1处理，则EL1/EL0所有对应的SError\FIQ\IRQ中断都被路由到EL2，同时禁止所有虚拟中断 |
|
注意： SCR_EL3.{EA, FIQ, IRQ}bit的优先级高于HCR_EL2.{AMO, IMO, FMO} bit优先级，路由优先考虑SCR_EL3 |
3.3.2 IRQ/FIQ/SError路由流程图
第4章 ARMv8寄存器
寄存器名称描述
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位宽 |
分类 |
||
|
32-bit |
Wn（通用） |
WZR（0寄存器） |
WSP（堆栈指针） |
|
64-bit |
Xn（通用） |
XZR（0寄存器） |
SP（堆栈指针） |
4.1 AArch32重要寄存器
|
Bit |
描述 |
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|
R0-R14 |
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. |
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|
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 |
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. |
|
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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 |
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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 |
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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 |
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32bit |
EL2特有，HCR.{TEG,AMO,IMO,FMO,RW}控制EL0/EL1的异常路由 |
|
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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 |
4.1.1 A32状态下寄存器组织
• 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 |
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R0 |
R0 |
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R1 |
R1 |
R1 |
|
R2 |
R2 |
R2 |
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R3 |
R3 |
R3 |
|
R4 |
R4 |
R4 |
|
R5 |
R5 |
R5 |
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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 |
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R9 |
R9 |
|
|
R10 |
R10 |
|
|
R11 |
R11 |
|
|
R12 |
R12 |
|
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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 |
4.2 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 |
4.3 64、32位寄存器的映射关系
|
64-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 |
DFSR |
||
|
X17 |
SP_irq |
ESR_EL2 |
HSR |
|
|
X18 |
LR_svc |
|
|
|
|
X19 |
SP_svc |
|
|
第5章 异常模型
5.1 异常类型描述
5.1.1 AArch32异常类型
|
异常类型 |
描述 |
默认捕获模式 |
向量地址偏移 |
|
Undefined Instruction |
未定义指令 |
Und mode |
0x04 |
|
Supervisor Call |
SVC调用 |
Svc mode |
0x08 |
|
Hypervisor Call |
HVC调用 |
Hyp mode |
0x08 |
|
Secure Monitor Call |
SMC调用 |
Mon mode |
0x08 |
|
Prefetch abort |
预取指令终止 |
Abt mode |
0x0c |
|
Data abort |
数据终止 |
Abt mode |
0x10 |
|
IRQ interrupt |
IRQ中断 |
IRQ mode |
0x18 |
|
FIQ interrupt |
FIQ中断 |
FIQ mode |
0x1c |
|
Hyp Trap exception |
Hyp捕获异常 |
Hyp mode |
0x14 |
|
Monitor Trap exception |
Mon捕获异常 |
Mon mode |
0x04 |
5.1.2 AArch64异常类型
可分为同步异常 & 异步异常两大类,如下表描述：
|
Synchronous(同步异常) |
|
|
异常类型 |
描述 |
|
Undefined Instruction |
未定义指令异常 |
|
Illegal Execution State |
非常执行状态异常 |
|
System Call |
系统调用指令异常（SVC/HVC/SMC） |
|
Misaligned PC/SP |
PC/SP未对齐异常 |
|
Instruction Abort |
指令终止异常 |
|
Data Abort |
数据终止异常 |
|
Debug exception |
软件断点指令/断点/观察点/向量捕获/软件单步 等Debug异常 |
|
Asynchronous(异步异常) |
|
|
类型 |
描述 |
|
SError or vSError |
系统错误类型，包括外部数据终止 |
|
IRQ or vIRQ |
外部中断 or 虚拟外部中断 |
|
FIQ or vFIQ |
快速中断 or 虚拟快速中断 |
|
异常进入满足以下条件 |
向量地址偏移表 |
|||
|
Synchronous (同步异常) |
IRQ || vIRQ |
FIQ || vFIQ |
SError || vSError |
|
|
SP => SP_EL0 && 从Current EL来 |
0x000 |
0x080 |
0x100 |
0x180 |
|
SP => SP_ELx && 从Current EL来 |
0x200 |
0x280 |
0x300 |
0x380 |
|
64bit => 64bit && 从Low level EL来 |
0x400 |
0x480 |
0x500 |
0x580 |
|
32bit => 64bit && 从Low level EL来 |
0x600 |
0x680 |
0x700 |
0x780 |
• SP => SP_EL0,表示使用SP_EL0堆栈指针，由PSTATE.SP == 0决定,PSTATE.SP == 1 则SP_ELx；
• 32bit => 64bit 是指发生异常时PE从AArch32切换到AArch64的情况；
5.2异常处理逻辑
5.2.1 寄存器操作
|
流程 |
Note |
|
AArch32 State |
|
x = {und/svc/abt/irq/fiq/hyp/mon} |
PE跳转到哪一种模式通常由路由关系决定 |
|
2、保存异常返回地址到LR_x，用于异常返回用 |
LR也是对应模式的R[14]_x寄存器，32位系统下LR和ELR是同一个寄存器，而64位是独立的 |
|
3、备份PSTATE 数据到SPSR_x |
异常返回时需要从SPSR_x恢复PSTATE |
|
4、PSTATE 操作： PSTATE.M[4:0]设置为异常模式x PSTATE.{A,I,F} = 1 PSTATE.T = 1，强制进入A32模式 PSTATE.IT[7：2] = “00000” |
PSTATE.M[4]只是对32位系统有效，64为下是保留的，因为64位下没有各种mode的概念. 异常处理都要切换到ARM下进行； 进入异常时需要暂时关闭A,I,F中断； |
|
5、据异常模式x的向量偏移跳转到进入异常处理 |
各个mode有对应的Vector base addr + offset |
|
AArch64 state |
|
|
异常返回时需要从SPSR_ELx中恢复PSTATE |
|
2、保存异常进入地址到ELR_ELx，同步异常（und/abt等）是当前地址，而 异步异常（irq/fiq等）是下一条指令地址 |
64位架构LR和ELR是独立分开的，这点和32位架构有所差别 |
|
3、保存异常原因信息到ESR_ELx |
ESR_ELx.EC代表Exception Class，关注这个bit |
|
4、PE根据目标EL的异常向量表中定义的异常地址强制跳转到异常处理程序 |
跳转到哪个EL使用哪个向量偏移地址又路由关系决定 |
|
5、堆栈指针SP的使用由目标EL决定 |
(SPSR_ELx.M[0] == 1) ？ h（ELx）: t（EL0） |
5.2.2 路由控制
|
Execution State |
异步异常（中断） |
路由控制位、优先级排列. 1允许 0禁止 |
|
AArch32 |
Asynchronous Data Abort (异步数据终止) |
SCR.EA HCR.TGE HCR.AMO |
|
IRQ or vIRQ |
SCR.IRQ HCR.TGE HCR.IMO |
|
|
FIQ or vFIQ |
SCR.FIQ HCR.TGE HCR.FMO |
|
|
|
||
|
AArch64 |
SError or vSError |
SCR_EL3.EA HCR_EL2.TGE HCR_EL2.AMO |
|
IRQ or vIRQ |
SCR_EL3.IRQ HCR_EL2.TGE HCR_EL2.IMO |
|
|
FIQ or vFIQ |
SCR_EL3.FIQ HCR_EL2.TGE HCR_EL2.FMO |
|
• 若HCR_EL2.TGE ==1所有的虚拟中断将被禁止,HCR.{AMO,IMO,FMO} HCR_EL2.{AMO,IMO,FMO}被当成1处理.
5.3流程图对比
AArch32、AArch64架构下IRQ 和Data Abort 异常处理流程图对比.
5.3.1 IRQ 流程图
5.3.1.1 AArch32
5.3.1.2 AArch64
5.3.2 Data Abort 流程图
5.3.2.1 AArch32
5.3.2.2 AArch64
5.4 源代码异常入口
5.4.1 C函数入口
|
异常类型 |
AArch32 State |
AArch64 State |
||
|
所在文件 |
C 函数 |
所在文件 |
C 函数 |
|
|
Und |
arm/kernel/traps.c |
do_undefinstr |
Arm64/kernel/traps.c |
do_undefinstr |
|
Data Abort |
arm/mm/fault.c |
do_DataAbort |
arm64/mm/fault.c |
do_mem_abort |
|
IRQ |
arm/kernel/irq.c |
asm_do_IRQ |
arm64/kernel/irq.c |
handle_IRQ |
|
FIQ |
|
|
|
|
|
System Call |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.4.2 上报流程图
例举Data Abort 和 IRQ中断的入口流程图
5.4.2.1 Data Abort 上报
5.4.2.2 IRQ上报
5.4.3 异常进入压栈准备
分析64位kernel_entry 压栈代码逻辑（代码路径：kernel/arch/arm64/kernel/entry.S）
|
• sp指向 #S_LR – #S_FRAME_SIZE 位置 |
#S_FRAME_SIZE是pt_regs结构图的size |
|
• 依次把x28-x29 … x0-x1 成对压入栈内 |
每压入一对寄存器，sp指针就移动 -16 =（(64/8）*2）字节长度，栈是向地址减少方向增长的. |
|
• 保存sp+#S_FRAME_SIZE数据到x21 |
add x21, sp, #SP_FRAME_SIZE |
|
• 保存elr_el1到x22 |
mrs x22, elr_el1 |
|
• 保存spsr_el1到x23 |
mrs x23, spsr_el1 |
|
• 把lr、x21写入sp+#S_LR地址内存 |
保存lr和x21的数据到指定栈内存位置 |
|
• 把x22、x23写入sp+#S_PC地址内存 |
保存elr,spsr数据到指定栈内存位置 |
5.4.4 栈布局
第6章 ARMv8指令集
6.1 概况
• A64指令集
• A32 & T32指令集
• 指令编码
6.1.1 指令基本格式
<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） |
6.1.2 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 |
6.2 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 |
6.2.1 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) ？ |
6.2.2 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 |
|
1111 |
NV |
6.2.3 跳转指令
6.2.3.1 条件跳转
|
cond为真跳转 |
|
|
CBNZ |
CBNZ X1，label //如果X1!= 0则跳转到label |
|
CBZ |
CBZ X1，label //如果X1== 0则跳转到label |
|
TBNZ |
TBNZ X1，#3 label //若X1[3]!=0,则跳转到label |
|
TBZ |
TBZ X1，#3 label //若X1[3]==0,则跳转到label |
6.2.3.2 绝对跳转
|
绝对跳转 |
|
|
BL |
绝对跳转 #imm，返回地址保存到LR（X30） |
|
BLR |
绝对跳转reg，返回地址保存到LR（X30） |
|
BR |
跳转到reg内容地址, |
|
RET |
子程序返回指令，返回地址默认保存在LR（X30） |
6.2.4 异常产生和返回指令
|
SVC系统调用，目标异常等级为EL1 |
|
|
HVC |
HVC系统调用，目标异常等级为EL2 |
|
SMC |
SMC系统调用，目标异常等级为EL3 |
|
ERET |
异常返回，使用当前的SPSR_ELx和ELR_ELx |
6.2.5 系统寄存器指令
|
R <- S: 通用寄存器 <= 系统寄存器 |
|
|
MSR |
S <- R: 系统寄存器 <= 通用寄存器 |
6.2.6 数据处理指令
|
数据处理指令类型 |
|||||
|
算数运算 |
逻辑运算 |
数据传输 |
地址生成 |
位段移动 |
移位运算 |
|
ADDS |
ANDS |
MOV |
ADRP |
BFM |
ASR |
|
SUBS |
EOR |
MOVZ |
ADR |
SBFM |
LSL |
|
CMP |
ORR |
MOVK |
|
UBFM |
LSR |
|
SBC |
MOVI |
|
|
BFI |
ROR |
|
RSB |
TST |
|
|
BFXIL |
|
|
RSC |
|
|
|
SBFIZ |
|
|
|
|
|
SBFX |
|
|
|
MADD |
|
|
|
UBFIZ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
MUL |
|
|
|
|
|
|
SMADDL |
|
|
|
|
|
|
SDIV |
|
|
|
|
|
|
UDIV |
|
|
|
|
|
6.2.6.1 算术运算指令
|
ADDS |
加法指令，若S存在，则更新条件位flag |
|
ADCS |
带进位的加法，若S存在，则更新条件位flag |
|
SUBS |
减法指令，若S存在，则更新条件位flag |
|
将操作数 1 减去操作数 2，再减去 标志位C的取反值 ，结果送到目的寄存器Xt/Wt |
|
|
RSB |
逆向减法，操作数 2 –操作数 1，结果 Rd |
|
RSC |
带借位的逆向减法指令，将操作数 2 减去操作数 1，再减去 标志位C的取反值 ，结果送目标寄存器Xt/Wt |
|
CMP |
比较相等指令 |
|
CMN |
比较不等指令 |
|
NEG |
取负数运算，NEG X1，X2 // X1 = X2按位取反+1（负数=正数补码+1） |
|
MADD |
|
|
MSUB |
乘减运算 |
|
MUL |
乘法运算 |
|
SMADDL |
有符号乘加运算 |
|
SDIV |
有符号除法运算 |
|
UDIV |
无符号除法运算 |
6.2.6.2 逻辑运算指令
|
ANDS |
按位与运算，如果S存在，则更新条件位标记 |
|
EOR |
按位异或运算 |
|
ORR |
按位或运算 |
|
TST |
例如：TST W0, #0X40 //指令用来测试W0[3]是否为1,相当于：ANDS WZR,W0，#0X40 |
6.2.6.3 数据传输指令
|
MOV |
赋值运算指令 |
|
赋值#uimm16到目标寄存器Xd |
|
|
MOVN |
赋值#uimm16到目标寄存器Xd，再取反 |
|
MOVK |
赋值#uimm16到目标寄存器Xd，保存其它bit不变 |
6.2.6.4 地址生成指令
|
ADRP |
base = PC[11:0]=ZERO(12); Xd = base + label; |
|
ADR |
Xd = PC + label |
6.2.6.5 位段移动指令
|
BFM Wd, Wn, #r, #s if s>=r then Wd<s-r:0> = Wn<s:r>, else Wd<32+s-r,32-r> = Wn<s:0>. |
|
|
SBFM |
|
|
UBFM |
|
|
BFI |
|
|
BFXIL |
|
|
SBFIZ |
|
|
SBFX |
|
|
UBFX |
|
|
UBFZ |
|
6.2.6.6 移位运算指令
|
ASR |
算术右移 >> （结果带符号） |
|
LSL |
逻辑左移 << |
|
LSR |
逻辑右移 >> |
|
ROR |
循环右移：头尾相连 |
|
字节、半字、字符号/0扩展移位运算 关于SXTB #imm和UXTB #imm 的用法可以使用以下图解描述： |
|
|
SXTH |
|
|
SXTW |
|
|
UXTB |
|
|
UXTH |
6.2.7 Load/Store指令
|
对齐 偏移 |
非对齐 偏移 |
PC-相对 寻址 |
访问 一对 |
非暂存 |
非特权 |
独占 |
Acquire Release |
|
LDR |
LDUR |
LDR |
LDP |
LDNP |
LDTR |
LDXR |
LDAR |
|
LDRB |
LDURB |
LDRSW |
LDRSW |
STNP |
LDTRB |
LDXRB |
LDARB |
|
LDRSB |
LDURSB |
|
STP |
|
LDTRSB |
LDXRH |
LDARH |
|
LDRH |
LDURH |
|
|
|
LDTRH |
LDXP |
STLR |
|
LDRSH |
LDURSH |
|
|
|
LDTRSH |
STXR |
STLRB |
|
LDRSW |
LDURSW |
|
|
|
LDTRSW |
STXRB |
STLRH |
|
STR |
STUR |
|
|
|
STTR |
STXRH |
LDAXR |
|
STRB |
STURB |
|
|
|
STTRB |
STXP |
LDAXRB |
|
STRH |
STURH |
|
|
|
STTRH |
|
LDAXRH |
|
|
|
|
|
|
|
|
LDAXP |
|
|
|
|
|
|
|
|
STLXR |
|
|
|
|
|
|
|
|
STLXRB |
|
|
|
|
|
|
|
|
STLXRH |
|
|
|
|
|
|
|
|
STLXP |
6.2.7.1 寻址方式
|
类型 |
立即数偏移 |
寄存器偏移 |
扩展寄存器偏移 |
|
{ base{，#0 } } |
|
|
|
|
基址寄存器 （+ 偏移） |
{ base{，#imm } } |
{ base，Xm{，LSL #imm } } |
[base，Wm，(S|U)XTW {#imm }] |
|
Pre-indexed (事先更新) |
[ base，#imm ]! |
|
|
|
Post-indexed （事后更新） |
[ base，#imm ] |
{ base },Xm |
|
|
PC-相对寻址 |
label |
|
|
6.2.7.2 Load/Store (Scaled Offset)
|
支持的寻址方式 |
|
对齐的，无符号#imm12偏移，不支持pre-/post-index 操作 |
|
非对齐，带符号#imm9偏移，支持pre-/post-index 操作 |
|
对齐or非对齐的64bit寄存器偏移 |
|
对齐or 非对齐的32bit寄存器偏移 |
|
Zero-Extend / Sign-Extend |
|
|
0 扩展 |
从Memory读取一个无符号32位Wn数据写到一个64位Xt寄存器中，Wn数据被存储到Xt[31:0]，Xt[63:32]使用0代替 |
|
符号扩展 |
从Memory读取一个有符号32位Wn数据写到一个64位Xt寄存器中，Wn数据被存储到Xt[31:0]，Xt[63:32]使用Wn的符号位值（Wn[31]）代替 |
|
LDR |
从Memory地址addr中读取双字/字节/半字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中 带”S”表示需要符号扩展. |
|
LDRB |
|
|
LDRSB |
|
|
LDRH |
|
|
LDRSH |
|
|
LDRSW |
|
|
STR |
把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中 |
|
STRB |
|
|
STRH |
6.2.7.3 Load/Store (Unscaled Offset)
• 所谓Scaled 和Unscaled其实就是可以见到理解为对齐和非对齐，本质就是是否乘以一个常量，因为scaled的总是可以乘以一个常量来达到对齐，而Unscaled就不需要，是多少就多少，更符合人类自然的理解
|
支持的寻址方式 |
|
• 非对齐的，有符号#simm9偏移，不支持pre-/post-index 操作 |
|
从Memory地址addr中读取双字/字节/半字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中 带”S”表示需要符号扩展. 立即数偏移 #simm9 = { -256 ~ +256 } 的任意整数，不需要对齐规则. |
|
|
LDURB |
|
|
LDURSB |
|
|
LDURH |
|
|
LDURSH |
|
|
LDURSW |
|
|
STUR |
把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中 立即数偏移 #simm9 = { -256 ~ +256 } 的任意整数，不需要对齐规则. |
|
STURB |
|
|
STURH |
6.2.7.4 Load/Store PC-relative（PC相对寻址）
|
支持的寻址方式 |
|
• 不支持pre-/post-index 操作 |
|
LDR |
从Memory地址addr中读取双字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中 带”S”表示需要符号扩展. |
|
LDRSW |
6.2.7.5 Load/Store Pair(一对)
|
支持的寻址方式 |
|
• 对齐的，有符号#simm7偏移，支持pre-/post-index 操作 |
|
LDP |
从Memory地址addr处读取两个双字/字数据到目标寄存器Xt1，Xt2 带”S”表示需要符号扩展. |
|
LDRSW |
|
|
STP |
把Xt1，Xt2两个双字/字数据写到Memory地址addr中 |
6.2.7.6 Load/Store Non-temporal(非暂存) Pair
• 所谓Non-temporal就是就是用于你确定知道该地址只加载一次，不需要触发缓存，避免数据被刷新，优化性能，其它指令都默认会写Cache
|
• 对齐的，有符号#simm7偏移，不支持pre-/post-index 操作 |
|
LDNP |
从Memory地址addr处读取两个双字/字数据到目标寄存器Xt1，Xt2, 标注非暂存访问，不更新cache 带”S”表示需要符号扩展. |
|
STNP |
把Xt1，Xt2两个双字/字数据写到Memory地址addr中，标注非暂存访问，不更新cache |
6.2.7.7 Load/Store Unprivileged（非特权）
• 所谓Unprivileged就是说EL0/EL1的内存有不同的权限控制，这条指令以EL0的权限存取，用于模拟EL0的行为，该指令应用于EL1和EL0之间的交互.
|
• 非对齐的，有符号#simm9偏移，不支持pre-/post-index 操作 |
|
从Memory地址addr中读取双字/字节/半字/字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 当执行在EL1的时候使用EL0的权限 带”S”表示需要符号扩展
|
|
|
LDTRB |
|
|
LDTRSB |
|
|
LDTRH |
|
|
LDTRSH |
|
|
LDTRSW |
|
|
STTR |
把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中， 当执行在EL1的时候使用EL0的权限 |
|
STTRB |
|
|
STTRH |
6.2.7.8 Load/Store Exclusive（独占）
• 在多核CPU下，对一个地址的访问可能引起冲突，这个指令解决了冲突，保证原子性(所谓原子操作简单理解就是不能被中断的操作)，是解决多个CPU访问同一内存地址导致冲突的一种机制。
比如2个CPU同时写，其中一条的Ws就会返回失败值。通常用于锁，比如spinlock，可以参考代码：arch/arm64/include/asm/spinlock.h
|
• 无偏移基址寄存器，不支持pre-/post-index 操作 |
|
从Memory地址addr中读取双字/字节/半字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 标记物理地址是独占访问的 |
|
|
LDXRB |
|
|
LDXRH |
|
|
LDXP |
从Memory地址addr中读取一对双字数据到目标寄存器Xt1，Xt2中，标记物理地址是独占访问的 |
|
STXR |
把Xn/Wn中的双字/字节/半字数据写入到Memory地址addr中， 返回是否独占访问成功状态（Ws） |
|
STXRB |
|
|
STXRH |
|
|
STXP |
把Xt1，Xt2一对双字字数据写入到Memory地址addr中，返回是否独占访问成功状态 |
6.2.7.9 Load-Acquire/Store-Release
|
Load-Acquire Acquire的语义是读操作 |
相当于半个DMB指令，只管读内存操作 |
|
Store-Release Release的语义是写操作 |
相当于半个DMB指令，只管写内存操作 |
|
支持的寻址方式 |
|
• 无偏移基址寄存器，不支持pre-/post-index 操作 |
|
Non-exclusive(非独占) |
|
|
LDAR |
从Memory地址addr中读取一个双字/字节/半字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 标记物理地址为非独占访问 |
|
LDARB |
|
|
LDARH |
|
|
STLR |
把一个双字/字节/半字数据Xt/Wt写到Memory地址addr中， 返回是否独占访问成功状态
|
|
STLRB |
|
|
STLRH |
|
|
Exclusive(独占) |
|
|
LDAXR |
从Memory地址addr中读取一个双字/字节/半字数据到目标寄存器Xt/Wt中， 标记物理地址为独占访问
LDAXP 是Pair 访问 |
|
LDAXRB |
|
|
LDAXP |
|
|
STLXR |
把一个双字/字节/半字数据Xt/Wt写到Memory地址addr中， 返回是否独占访问成功状态
STLXP 是Pair 访问 |
|
STLXRB |
|
|
STLXP |
|
6.2.8 屏障指令
|
DMB |
数据内存屏障指令 |
保证该指令前的所有内存访问结束，而该指令之后引起的内存访问只能在该指令执行结束后开始，其它数据处理指令等可以越过DMB屏障乱序执行 |
|
DSB |
数据同步屏障指令 |
DSB比DMB管得更宽，DSB屏障之后的所有得指令不可越过屏障乱序执行 |
|
ISB |
指令同步屏障指令 |
ISB比DSB管的更宽，ISB屏障之前的指令保证执行完，屏障之后的指令直接flush掉再重新从Memroy中取指 |
• 以DMB指令为例介绍屏障指令原理.
|
ADD X1，X2，X3 ------(A) LDR X4，addr ------(B) STR X6，addr2 DMB <option> -----(DMB) LDR X5，addr3 ------(C) STR X7，addr4 SUB X8，X9，#2 ------(D) |
左边程序中，因为有（DMB）的屏障作用，（C）必须要等（B）执行完成后才可以执行，保证执行顺序。而（A)、(D)不属于Memory access指令，可以越过DMB屏障 乱序执行;
|
|
而结合到Load-Acquire/Store-Release，可以分别理解为半个DMB指令，Load-Acquire只管Memory read，而Store-Release只管Memroy write，组合使用可以增加代码乱序执行的灵活性和执行效率. |
6.3 A32 & T32指令集
6.3.1 跳转指令
|
条件跳转 |
|
|
BL |
跳转前会把当前指令的下一条指令保存到 R14 （lr） |
|
BX |
只能用于寄存器寻址，寄存器最低位值用于切换 ARM/Thumb 工作状态，ARM/Thumb 的切 换只能通过跳转实现，不能通过直接 write register 方式实现. |
|
BLX |
BL & BX 的并集 |
|
CBNZ |
比较非 0 跳转 |
|
CBZ |
比较为 0 跳转 |
|
TBNZ |
测试位比较非 0 跳转 |
|
TBZ |
测试位比较 0 跳转 |
|
BLR |
带返回的寄存器跳转 |
|
BR |
跳转到寄存器 |
|
RET |
返回到子程序 |
6.3.2 异常产生、返回指令
• 参考A64指令集.
6.3.3 系统寄存器指令
• 参考A64指令集.
6.3.4 系统寄存器指令
• 参考A64指令集.
6.3.5 数据处理指令
• 参考A64指令集.
6.3.6 Load/Store指令
6.3.6.1 寻址方式
|
Offset addressing |
偏移寻址(reg or #imm) |
[ <Rn>, <offset>] |
|
Pre-indexed addressing |
事先更新寻址，先变化后操作 |
[ <Rn>, <offset>]! |
|
Post-indexed addressing |
事后更新寻址，先操作后变化 |
[<Rn>], <offset> |
6.3.6.2 Load /Store
|
Normal |
非特权 |
独占 |
Load Acquire |
Store Release |
独占 |
||||
|
Acquire |
Release |
||||||||
|
LDR |
STR |
LDRT |
STRT |
STREX |
LDA |
STL |
LDAEX |
STLEX |
|
|
LDRH |
STRH |
LDRHT |
STRHT |
LDREXH |
STREXH |
LDAH |
STLH |
LDAEXH |
STLEXH |
|
LDRSH |
|
LDRSHT |
|
|
|
|
|
|
|
|
LDRB |
STRB |
LDRBT |
STRBT |
LDREXB |
STREXB |
LDAB |
STLB |
LDAEXB |
STLEXB |
|
LDRSB |
|
LDRSBT |
|
|
|
|
|
|
|
|
LDRD |
STRD |
|
|
LDREXD |
SETEXD |
|
|
LDAEXD |
|
• LDRD/ STRD 和A64的LDP/STP 用法类似，表中的D(Dua)关键字和A64的P(Pair)关键字是一个意思，都是指操作一对寄存器.
• 以上指令用法和A64类似.
6.3.6.3 Load /Store(批量)
|
LDM |
LDM {Cond} {类型} 基址寄存器{！},寄存器列表{^} 从指定内存中加载批量数据到寄存器堆 |
|
STM |
STM {Cond} {类型} 基址寄存器{！},寄存器列表{^} 把寄存器堆中批量数据存储到指定内存地址 |
|
PUSH |
批量压入栈 |
|
POP |
批量弹出栈 |
|
类型 |
助记符 |
指令 |
Note |
|
地址 变化 方式 |
IA |
LDMIA/STMIA |
先操作，后递增4字节 |
|
IB |
LDMIB/STMIA |
||
|
DA |
LDMDA/STMDA |
先操作，后递减4字节 |
|
|
DB |
LDMDB/STMDB |
先递减4字节，后操作 |
|
|
FD |
LDMFD/STMFD |
满递减堆栈，SP指向最后一个元素 |
|
|
FA |
LDMFA/STMFA |
满递增堆栈，SP指向最后一个元素 |
|
|
ED |
LDMED/STMED |
空递减堆栈，SP指向将要压入数据的空地址 |
|
|
EA |
LDMEA/STMEA |
空递增堆栈，SP指向将要压入数据的空地址 |
•关于数据栈类型
|
满递减 |
堆栈首部是高地址，堆栈向低地址增长。SP总是指向堆栈最后一个元素（最后一个元素是最后压入的数据） |
|
满递增 |
堆栈首部是低地址，堆栈向高地址增长。SP总是指向堆栈最后一个元素（最后一个元素是最后压入的数据） |
|
空递减 |
堆栈首部是低地址，堆栈向高地址增长。SP总是指向下一个将要放入数据的空位置 |
|
空递增 |
堆栈首部是高地址，堆栈向低地址增长。SP总是指向下一个将要放入数据的空位置 |
|
• LDM/STM可以实现一次在一片连续的存储器单元和多个寄存器之间传送数据，批量加载指令用于将一片连续的存储器中的数据传送到多个寄存器，批量存储指令完成相反的操作 |
|
|
• {!}为可选后缀，若选用，则当数据传送完毕之后，将最后的地址写入基址寄存器，否则基址寄存器的内容不改变，基址寄存器不允许为R15(PC)，寄存器列表可以为R0 ~ R15的任意组合 |
|
|
• {^}为可选后缀，当指令为LDM且寄存器列表中包含有R15，选用该后缀表示：除了正常的数据传送之外，还将SPSR复制到CPSR,同时，该后缀还表示传入或传出的是用户模式下的寄存器，而不是当前模式下的寄存器 |
|
|
LDMIA R0!, {R1-R4} // R1<----[R0] // R2<----[R0 + 4] // R3<----[R0 + 8] // R4<----[R0 + 12] |
LDMIA R0!, {R1-R4} // R1<----[R0] // R2<----[R0 + 4] // R3<----[R0 + 8] // R4<----[R0 + 12] |
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STMFD SP！，{R0-R3} //[R0]<----[SP] //[R1]<----[SP + 4] //[R2]<----[SP + 8] //[R3]<----[SP + 12] |
LDMFD SP!, {R6-R8} // R6<----[SP] // R7<----[SP + 4] // R8<----[SP + 8] |
6.3.7 IT(if then)指令
• 基本格式：IT{<x>{<y>{<z>}}}{<q>} <cond>
• T32中的IT指令用于根据特定条件来执行紧跟其后的1-4条指令，其中X,Y,Z分别是执行第二、三、四条指令的条件，可取的值为T（then）或E(else)，<cond>条件的值控制指令的执行逻辑.
T表示<cond>条件为TRUE则执行对应指令，E 表示<cond>为FALSE执行对应指令，如下例子描述.
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ITETT EQ |
据EQ（N==1）的条件是否成立判断，2、3、4执行逻辑分别是E、T、T |
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MOVEQ R0, #1 // 1 |
若EQ为真(N==1),则执行 1、3、4（T）的MOV操作，否则执行2(E)的MOV操作 E T T |
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MOVNE R0, #0 // 2 |
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MOVEQ R1, #0 // 3 |
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MOVEQ R2, #0 // 4 |
6.3.8 协处理器指令
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数据操作指令，用于ARM通知协处理器执行特定操作 |
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LDC |
数据加载指令，用于源寄存器所指向的Mem数据传送到目标寄存器 |
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STC |
数据存储指令，用于源寄存器所指向的数据传送到目标寄存器所指向的Mem中 |
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MCR |
数据传送指令，ARM寄存器 => 协处理器寄存器 |
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MRC |
数据传送指令，ARM寄存器 <= 协处理器寄存器 |
6.4 指令编码
• A32
• T32-16bit
• T32-32bit
• A64
6.4.1 A32编码
• 基本格式
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位于[31:28] 的4bit宽条件码 |
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op1位段控制指令类型：数据处理、load/store、跳转、协处理器指令… |
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Rd/Rn宽度为4bit，寄存器可访问范围R0-R15 ，R15(PC)通常不做通用寄出去用途. |
6.4.2 T32-16bit编码
• 基本格式
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固定13bit编码，要求半字对齐 |
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位于[15:10] 的5bit决定指令类型，详见Datasheet F3.4/P2475. |
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没用cond条件码位. |
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Rd/Rn宽度为3bit，寄存器可访问范围R0-R7 |
6.4.3 T32-32bit编码
• 基本格式
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固定32bit宽编码，由两个连续16bit半字组合而成，要求半字对齐 |
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第一个半字的高三位固定为111，Op2位段决定指令类型, |
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如果op1 == 00，那么表示会被编码位16bit指令，否则是32bit指令 |
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Rd/Rn宽度为4bit，寄存器可访问范围R0-R14 |
6.4.4 A64编码
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固定32bit宽编码，若sf == 0则表示32bit指令，否则表示64bit指令 |
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Rd/Rn宽度为5bit，寄存器可访问范围X0-X30 |
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对比A32指令很少cond位. |
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详细参考Datasheet C4章节. |
6.4 汇编代码分析
• 以memcpy.S为例，分析笔记如下：
http://note.youdao.com/share/?id=f7976e6571ceae443da4e36d28842dcb&type=note
7.1 简介
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1、不能减少单指令的响应时间，和single-cycle指令的响应时间是相同的 |
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2、多指令同时使用不同资源，可提升整体单cycle内的指令吞吐量，极大提高指令执行效率 |
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3、指令执行速率被最慢的流水线级所限制，执行效率被依赖关系限制影响 |
7.1.1 简单三级流水线
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IF |
Instruction fetch |
取指 |
|
ID |
Instruction decode & register file read |
译码 & 读取寄存器堆数据 |
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EX |
Execution or address calculation |
执行 or 地址计算 |
图示：
7.1.2 经典五级流水线
|
IF |
Instruction fetch |
取指 |
|
ID |
Instruction decode & register file read |
译码 & 读取寄存器堆数据 |
|
EX |
Execution or address calculation |
执行 or 地址计算 |
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MEM |
Data memeory access |
读写内存数据 |
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WB |
Write back |
数据写回到寄存器堆 |
图示：
7.2 流水线冲突
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类型 |
Note |
解决方法 |
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结构冲突 |
不同指令同时占用问储器资源冲突，早期处理器程序、数据存储器混合设计产生的问题。 |
分离程序、数据存储器，现代处理器已不存在这种冲突 |
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数据冲突 |
不同指令同时访问同一寄存器导致，通常发生在寄存器 RAW（read after write）的情况下， WAR(write after read) & WAW(write after write) 的情况再ARM不会发生. |
• SW插入NOP，增加足够的cycle等待，但是对CPU性能有大影响 • HW 使用forwarding（直通）解决，对性能影响小 |
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控制冲突 |
B指令跳转，导致其后面的指令的fetch等操作变成无用功，因此跳转指令会极大影响CPU性能. |
• SW插入NOP，增加足够的cycle等待，同样对CPU性能有大影响 |
7.3 指令并行
• 指令并行提升方法
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1、增加单条流水线深度，若是N级流水线，那么在single-cycle内有N条指令被执行. |
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2、Pipeline并行，若有M条流水线，每条流水线深度为N，那么single-cycle内有M*N条指令被执行，极大提升指令执行效率. |
