ARM架构的关键能力

作者简介

十四年IT基础设施研发经验，其中包括六年Linux kernel一线研发经验，在suse，华为，星际比特（技术合伙人）等公司工作。

作为团队核心成员参与了大陆第一个Cortex-A8 SOC芯片研发，负责CPU软件验证，操作系统移植等工作。

作为华为派驻到Linaro的技术专家，主导/参与多个Linux与arm架构相关特性研发（ILP32，continuous bit hint，kernel selftest等）

在拉斯维加斯，柏林，布达佩斯和北京多次发表技术演讲

2022年6月6日，WWDC 2022，苹果推出了新的Macbook Air和Macbook Pro，最大支持24G内存和2T存储，支持8k视频，支持18-20小时的续航，价格分别是1199美元和1299美元起。二者都适用了苹果最新自研的M2芯片。

作为底软的吃瓜群众，迫不及待的想把air拆开，一探究竟，无奈囊中羞涩。只好隔着屏幕一探M2的究竟。健哥整理了M1和M2的部分特性（表格横屏查看）：

SOC	M1	M2
Architecture	ARM v8.5	ARM v8.5
CPU	4xFirestorm 4xIcestorm	4xAvalanche 4xBlizzard
Memory	8G/16G lpddr4	8/16/24G lpddr5
Transister	16 billion	20 billion
Product	MacBook Air/Pro 2020	Macbok Air/pro 2022
Release Date	2020	2022

资料来源：Apple公司官网，整理人：健哥。原始表格：https://fvot4kwt4n.feishu.cn/sheets/shtcn69s9nbcvYxX0bAnDgxiAUb

M2使用了和A15一样的两个CPU IP Avalanche，Blizzard，分别作为性能核心和能效核心。二者组成大小核，会根据系统需要，选择合适的CPU，平衡性能和功耗。ARM公司官方的最新大小核技术称为DynamIQ。很遗憾，健哥暂时没有查到苹果大小核技术的更多信息，希望以后有机会向大家分享。

可以看到M2支持了更大的内存和更好的带宽。资料显示，M2使用了LPDDR5 6400，带宽可以到达100G。BTW，很多手机使用了LPDDR5，例如华为Mate P40，小米10，带宽大约在30-40G。

健哥查到的第一个使用LPDDR5的笔记本是华为的擎云L420，这个笔记本使用了华为麒麟9006C SOC。该芯片也采用了5nm工艺，最高频率3.13GHz。某东8+256的版本是7999元。

想了解一个ARM CPU，最为核心的是知道这个CPU的架构，根据网上的资料，M2的CPU是支持ARMv8.5扩展的。ARM从v8开始，除了v8，v9的大版本，还有若干小版本。目前最新的是v8.8和v9.3。虽然v8.5不是最新的ARM架构，但是v9.0除了SVE2，CCA，其余和v8.5是一样的。很多很多年之后，即使没有ARMv8a处理器了，今天学习的v8.5特性，也是未来继续跟踪ARM架构发展的很好的切入点。

从上图可以看到v8.5的主要增强有：

MTE: Memory Tagging Extension；

BTI: Branch Target Identification；

随机数生成器；

增强对PMEM的支持。

Memory Tagging Extension，顾名思义，是一个tag相关的特性。它使用了虚拟地址是不使用的位作为tag，可以用于use-after-free和buffer overrrun两个内存安全特性。

Branch Target Identification：从名字上可以看出，这是一个和跳转相关的特性，作用是在页表，PSTATE和BTI指令的配合下，检查是否发生了预期之外的跳转。如果是预期之外的跳转，会触发异常。

随机数生成器是引入了RNDR，RNDRRS两条指令。

对PMEM的支持：增加了PoDP，PoDP可以保证即使硬件故障导致了断电，Persistent memory的数据不会出错。

除了第三个特性，其它三个看起来都有点复杂，其实用健哥上次直播介绍的ARM架构三大基石（汇编，异常和内存）和三步学习方法（理解原理，阅读代码，实验验证），咱们都能化繁为简。

比如BTI特性，由三部分组成

页表中的GP位，用于设置是否是guarded page。这背后是对页表的基本理解；

BTI指令用于指定检查的规则。例如是否可以跳转的动态链接库。这背后是汇编语言的基本语法和过程调用标准（APCS64）；

PSTATE.BTYPE位用于在guarded区域（上面所说guarded page的区域）的指令是否产生异常。

可以看到，理解BTI特性需要从汇编，异常和内存三方面配合理解。有了上面的初步了解，再结合原本plt的代码代码（下图），我们可以想象在打开BTI特性的情况下，如果是guarded区域，br指令如果访问了x16, x17之外的寄存器，会产生异常。

编译器使能bti后，我们的确能看到0x790行插入了bti c指令。

对于MTE也是一样的，学习MTE特性是对三大基石的巩固和提高，然后我们可以借助对于MTE的了解，更多的理解软硬件如何配合，近可以看看操作系统下为内存安全还做了哪些事情，远可以更多学习操作系统的内存管理知识，从而更深理解操作系统。

在课程中，我们会和今天一样，先从软硬件系统的整体出发到ARM CPU，然后聚焦在汇编，异常和内存三部分，每一部分都有三个学习要点，每个要点都通过原理，代码和实验三部分打通。打通之后，我们通过对于更深入特性的拆解，验证前面的学习效果。欢迎大家报名我的ARM工作坊，我带大家一起打通和爆破ARM架构的关键能力。

原文标题：Apple M2和ARMv8.5特性

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审核编辑：彭静