剖析Armv8-A的AArch64寄存器

今天来简单研究一下Armv8-A的AArch64寄存器。

根据指令使用数据的方式, 指令系统可分为堆栈型、累加器型和寄存器型。寄存器型又可以进一步分为寄存器-寄存器型和寄存器-存储器型。

• 堆栈型。堆栈型指令又称零地址指令, 其操作数都在栈顶, 在运算指令中不需要指定操作数, 默认对栈顶数据进行运算并将结果压回栈顶。
• 累加器型。累加器型指令又称单地址指令, 包含一个隐含操作数——累加器, 另一个操作数在指令中指定, 结果写回累加器中。
• 寄存器-存储器型。在这种类型的指令系统中, 每个操作数都由指令显式指定, 操作数为寄存器和内存单元。
• 寄存器-寄存器型。在这种类型的指令系统中, 每个操作数也由指令显式指定, 但除了访存指令外的其他指令的操作数都只能是寄存器。

寄存器-寄存器型指令系统中，运算指令的操作数只能来自寄存器, 不能来自存储器, 所有的访存都必须显式的通过load和store指令来完成, 所以寄存器-寄存器型又被称为load-store型。使用寄存器的优势在于, 寄存器的访问速度快, 便于编译器的调度优化, 并可以充分利用局部性原理, 大量的操作可以在寄存器中完成。此外, 寄存器-寄存器型的另一个优势是寄存器之间的相关性容易判断, 容易实现流水线、多发射和乱序执行等方法。当今的指令系统主要是寄存器-寄存器型。（以上内容摘自《计算机体系结构基础》）

说了这么多，就是想强调一下在Armv8-A中寄存器的重要性。

在AArch64应用级角度，一个PE（Process Element）具有下列寄存器：

31个通用寄存器， R0 - R30，其中64-bit的寄存器命名为X0 – X30，而32位的寄存器命名为W0 -W30。

零寄存器XZR（64-bit）和WZR（32-bit）。

一个64-bit的堆栈指针（Stack Pointer）寄存器，堆栈指针的最低有效32位可以使用寄存器WSP访问。

一个64-bit的程序计数器（Program Counter），用于保存当前指令地址。软件无法直接写入PC。

32个SIMD（Single Instruction Multiple Data）&FP（Float Point）寄存器，V0 – V31。其中，128-bit的寄存器命名为Q0 -Q31；64-bit的命名为D0 – D31；32-bit的命名为S0 – S31；16-bit的命名为H0 -H31；8-bit的命名为B0 – B31。

一个64-bit的SIMD&FP控制寄存器FPCR。

一个64-bit的SIMD&FP状态寄存器FPSR。

三十二个可扩展向量寄存器（Scalable Vector registers），Z0 – Z31，寄存器宽度取决于具体实现，在128-1024 bit之间。

十六个可扩展断言寄存器（Scalable Predicate registers），P0 - P15。

一个专用SVE第一故障寄存器FFR（First Fault Register）。

一个处理器状态寄存器PSTATE，它是处理器状态信息的集合，包括条件标记寄存器NZCV，异常屏蔽寄存器DAIF，SP选择寄存器SPSEL、异常等级寄存器CurrentEL等。下图是PSTATE的字段定义。

在AArch64下，PSTATE字段使用以下专用（Special-Purpose）寄存器访问，通过MRS指令直接读取，通过MSR指令直接写入。

NZCV寄存器比较简单，如下图。N是负数条件标志位，如果最后一个标志设置指令的结果为负，则N=1；Z是0条件标志位，如果最后一个标志设置指令的结果为零，则Z=1，否则Z=0；C是进位条件标志位，如果最后一个标志设置指令导致进位情况发生，则C=1；V是溢出条件标志位，如果最后一个标志设置指令导致溢出情况发生，则V=1。其它位是保留位。

D是处理器状态调试屏蔽位；A是系统错误（SError）中断屏蔽位；I是IRQ屏蔽位；F是FIQ屏蔽位。其它位是保留位。

CurrentEL是当前异常等级寄存器，

SPSel（Stack Pointer Select）是堆栈指针选择寄存器，如下图，只有一个有效位。0b0表示在所有异常级别使用SP_EL0；0b1表示在异常级别ELx使用SP_ELx。

PAN（Privileged Access Never）是特权访问禁止寄存器。0b0表示特权读写不被此机制禁用；0b1表示禁用对EL0级别可访问地址的特权读写访问。

UAO（User Access Override）是用户访问覆盖寄存器。

DIT（Data Independent Timing）是数据独立时序寄存器。0b0表示该架构没有说明任何指令的时序属性。

SSBS是Speculative Store Bypass Safe（翻译不出来了）。0b0表示不允许硬件进行推测性load/store。

TCO（Tag Check Override）是标记检查覆盖寄存器。改为表示是否允许全局禁用内存标记检查。0b0表示load/store不受影响；0b1表示load/store不被检查。

ALLINT（All Interrupt Mask Bit）是全部中断屏蔽寄存器。

AArch64的专用寄存器除了上述，还有很多其它的。

此外，AArch64中还有大量的系统寄存器（System Registers）。系统寄存器为执行控制、状态和一般系统配置提供支持。大多数系统寄存器在EL0异常等级时不可访问。然而，一些系统寄存器可以配置为允许执行在EL0等级的软件进行访问。可以从EL0访问的寄存器包括：

• Cache ID registers
• Debug registers
• Performance Monitors registers
• Activity Monitors registers
• Thread ID registers
• Timer registers

前面讲GIC的时候提到过，ARM把一些中断相关的寄存器从GIC中剥离出来，放到了CPU interface中。在GICv2时，这些寄存器可以设计成系统寄存器，也可以设计成寻址访问的寄存器，但是到了GICv3，要求这些寄存器必须是系统寄存器。

对于系统寄存器的访问，也是通过MSR和MRS指令。

本次介绍的寄存器只是AArch64中全部寄存器的冰山一角，实际的寄存器远远多于今天提到的这些。ARM专门提供了一篇描述Armv8-A寄存器的文档，有四千多页。