浅谈ARMv8-A系列CPU的架构

1978年底，物理学家Hermann Hauser和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司(Cambridge Processing Unit)，主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。

▲图源网上  Hermann Hauser和Chris Curry

1981年，Acorn计算机公司迎来了一个难得的机遇 。英国广播公司BBC，为提高英国电脑普及水平，打算制作一档节目，他们希望Acorn能生产一款与之配套的电脑。英国政府也参与其中，这意味着电脑一旦采购，将进入英国的每一间教室。

在Acorn计算机公司即将大展身手之际，他们很快发现，自己设计的产品硬件并不能满足需求。因为当时中央处理器的发展潮流，正在从8位变成16位。但Acorn并没有合适的芯片可以用。

起初，Acorn计算机公司在验证了市面上的主流芯片后，由于各种缺陷不能满足要求而苦恼。于是，他们打算去找当时如日中天的Intel，希望对方提供一些80286处理器的设计资料和样品。但是却遭到了拒绝。备受打击的Acorn公司，一气之下决定自己干，从头开始造芯片(别人的山珍海味再香，也不如自己的窝窝头好吃~)。

当时，Acorn公司的研发人员，从美国加州大学伯克利分校，找到了一个关于新型处理器的研究——精简指令集，恰好可以满足他们的设计要求。在此基础上，经过多年的艰苦奋斗，来自剑桥大学的计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber最终完成了微处理器的设计。

▲图源网上-Sophie Wilson和Steve Furber

对于这块芯片，Acorn给它命名为Acorn RISC Machine。Acorn是公司名称，Machine是机器，RISC是精简指令集。嗯，这就是大名鼎鼎的“ARM”三个字母的由来。

RISC的全称是"精简指令集计算机"（reduced instruction set computer），它支持的指令比较简单，所以功耗小、价格便宜，特别适合移动设备。早期使用ARM芯片的典型设备，就是苹果公司的牛顿PDA。“简化指令集”，是相对于“复杂指令集”（CISC，complex instruction set computer）的一个概念。

早期的处理器都是CISC架构（包括英特尔的处理器），随著时间推移，有越来越多的指令集加入。由于当时编译器的技术并不纯熟，程序都会直接以机器码或是组合语言写成，为了减少程序的设计时间，逐渐开发出指令单一，但可以做复杂操作的程序代码。设计师只需写下简单的指令，再交给CPU去执行就可以了。

但是后来有人发现，整个指令集中，只有约20％的指令常常会被使用到，大约占了整个程序的80％；剩余80％的指令，只占了整个程序的20％。于是，1979年美国加州大学伯克利分校的David Patterson教授提出了RISC的想法，主张硬件应该专心加速常用的指令，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。

最后，ARM“有意无意地”选择了与Intel不同的设计路线——Intel持续迈向x86高效能设计，ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。

历史总是诡谲荒诞，原来被Intel最瞧不起的移动端市场业务，竟然在苹果iPhone问世以后，呈现井喷式的爆发增长起来。获利最大的公司之一，当属ARM。因为此时的ARM早已调整了业务方向，改为IP授权的方式，将自己的ARM设计卖给全球的芯片设计和制造公司。

▲图源网上

后面的事情大家都知道了，苹果安卓两家在全球移动端市场平分江山，以ARM的IP为核心的芯片充斥到我们生活的方方面面。并且在芯片制程技术的快速发展下，以及ARM公司的不断努力，手机移动端的处理器性能在不断拔高。彼时，已经出现使用ARM芯片的电脑和服务器了。微软非常机智，很快就发布了适配ARM架构的windows操作系统。

与此同时，新的趋势正在酝酿，主要包括大内存（Large Memory）、虚拟化（Virtualization）和安全（Security）。Virtualization在ARMv7上已经有简单的硬件实现，Security也有可能基于当前架构扩展，唯有Large memory的需求，有点棘手。

▲图源网上

由于处理器性能越来越强，运行于其上的软件也来越复杂，复杂到单一应用对内存的需求可能超出32-bit架构所能支持的最大内存(4G)，这就是Large memory需求的起因。不过，后来的ARMv7架构通过Large Physical Address Extensions (LPAE) 技术，可以支持高达40bits的物理地址空间。但受限于32-bit的指令集，虚拟地址空间依旧只有32bits（4G），如果有应用需要更大的虚拟内存，怎么办？只能定义一个新的架构，使用64-bit的指令集(ARM64)。

很显然，ARMv8应运而生！

既然要做高性能的处理器，那么在指令集和架构设计上，就要丢弃原本ARM指令集的一些设计和包袱。但是又因为ARM的通用性，几乎现在所有的电子端设备都可以看到ARM的身影，于是ARM又保留了向下兼容的特性。

不仅如此，ARM还放弃了早期的处理器核心命名规范，改用全新的cortex系命名规则，并对指令集划分三个方向，分别面向高端、中端、低端三大市场。 中低端芯片在ARMv6、ARMv7指令集架构时代就已见势头，真正看ARM雄厚的芯片设计能力，在高性能端处理器上展现的，还得是ARMv8指令集架构。

ARMv8指令集，同样分了三个系列，ARMv8-A、ARMv8-R、ARMv8-M。由于这里篇幅有限，我们只讨论ARMv8-A架构。那么接下来，就带领大家看看ARMv8架构的精巧设计。

看一个架构好不好，不仅要关注一下它的设计重点，还要看看它的发展由来。我们知道，在ARMv8之前，处理器可以工作在多种处理器模式（称作processor mode）下，包括User、FIQ、IRQ、Abort、Undefined、System等，之所以存在不同的模式，主要有2个方面的考虑：安全性和高效性。以ARMv7以前为例：

安全性的角度：不同的处理器模式，有不同的硬件访问权限，称作privilege level。主要有2个level，privilege和non-privilege。其中只有User模式属于non-privilege level，其它均是privilege level。安全起见，大多数时候，软件都运行在User mode。一旦需要其它操作，则需要切换到相应的privilege模式下。这样根据不同的处理器模式，可以利用对硬件的访问权限，做好数据隔离。可以说是最原始、最朴素的安全思想。

高效性的角度：这些处理器模式，除User模式外，其它模式基本上与各类异常一一对应。不同的模式，对应有自己的寄存器，例如R13(SP)、R14(LR)等等，可以使模式切换过程（也是异常处理过程）更为高效、便利。

在ARMv7-A架构时代，对privilege level有了新的定义，称作PL0和PL1。后来又增加了PL2，用于虚拟化扩展(Virtualization Extension)。另外，增加了两个新模式：Monitor和Supervisor，分别用于security扩展和virtualization扩展。

后来，PL0/1/2的概念在ARMv8架构上继续整合，诞生了全新的Exception Level，简称EL0-EL3。Exception level本身就已经包好了privilege的信息，即ELn的privilege随着n的增大而增大。类似地，可以将EL0归属于non-privilege level，EL1/2/3属于privilege level。

这些Exception level的具体意义可参考下图：

这里有一些关键点：

1）ARMv8-A支持64位模式和32位模式。但在AArch64中，已经没有User、SVC、ABT等处理器模式的概念，为了向下兼容，在AArch32里，就把这些处理器模式map到了4个Exception level。

2）Application位于特权等级最低的EL0，Guest OS（Linux kernel、window等）位于EL1，提供虚拟化支持的Hypervisor位于EL2（可以不实现），提供Security支持的Seurity Monitor位于EL3（可以不实现）。

3）只有在异常发生时（或者异常处理返回时），才能切换Exception level（这也是Exception level的命名原因，为了处理异常）。当异常发生时，有两种选择，停留在当前的EL，或者跳转到更高的EL，EL不能降级。同样，异常处理返回时，也有两种选择，停留在当前EL，或者调到更低的EL。

上面提到AArch64，就是在ARMv8首次引入的指令集形式。并且在此基础上，又对以往的指令集版本进行了总结。总共分为四种：A64（固定32位长度指令集）、A32（固定32位长度指令集）、T32（可变32位长度指令集，即Thumb-2）、T16（Thumb）。

现在，我们可以对ARMv8-A架构的主要特性做一下总结：

1）新增一套AArch64的指令集，简称A64。

2）由于需要向下兼容ARMv7，所以同时支持现存的32-bit指令集（A32和T32）。

3）定义AArch64和AArch32两套运行环境（称作Execution state），分别执行AArch64和AArch32指令集。软件可以在需要的时候，切换Execution state，同时物理硬件上也是两套寄存器共存。

4）AArch64最大的改动，使用新的概念（exception level），重新解释了processor mode、privilege level等概念。

5）在ARMv7 security extension的基础上，新增security model，支持安全相关的应用需求。

6）在ARMv7 virtualization extension的基础上，提供完整的virtualization框架，从硬件上支持虚拟化。

SkyEye目前支持的ARMv8架构处理器，有国产飞腾系列的FT1500、FT2000AHK、FT2000A/C4等型号。根据SkyEye的仿真框架，指令集与处理器是分开实现的，A64指令集单独抽象，以提供处理器级别仿真的基本能力。

对AArch64仿真，主要抽象了指令集对应的行为，比如exception level，security model和virtualization框架；在此基础上解析到具体的指令集，可以实现ISA级别仿真。

处理器仿真，在指令集仿真框架的基础上，进行差异化实现，主要在处理器的资源差异上进行仿真模块的分配。比如不同处理器支持的MMU有所差异。

参考资料及文献：

[1] 《ARMv8-A指令集手册》