浅谈Armv8-A处理器

 

众所周知，ARM是一家设计并授权处理器和相应IP（比如互连总线，中断处理器，图像处理器等等）的公司，目前其处理器产品分为三类：

Cortex-A系列：这个系列主要是应用（Application）处理器，这类处理器的特点是高性能，一般支持高速缓存，乱序执行，分支预测，指令多发射等等技术。

Cortex-R系列：这个系列主要是实时（Real-time）处理器，这类处理器的特点是对于外部事件的响应时间在可控范围，这里的实时并不是说处理器的速度快，而是对外部事件的响应时间可预测。

Cortex-M系列：这个系列主要是微控制（Micro-controller）处理器，这类处理器一般设计相对简单，芯片规模小，功耗值低，一般作为低成本芯片的控制器使用。

这三个系列的代表字母加起来刚好是ARM，所以这应该是ARM公司故意为之的。其实ARM公司的处理器产品在很早的时候并不是这么命名的，比如很早之前的ARM9，ARM11。现在ARM的处理器产品又增加了Neoverse系列，与A系列的处理器区分开来，不过这都是后话，暂时不用管它，还是认为是三个系列好了。

再返回来说Armv8.x-A，前缀Arm不用解释了；v表示的是版本（version）；8表示的是大版本号；x表示的是扩展版本号，也称为小版本号，比如8.4就是大版本是8，扩展版本是4，Armv8-A的基础版本是Armv8.0-A；最后的A表示的是A系列，所以一定还有R和M对不？不过本人对于R和M了解很少，就不介绍了，后面的内容都是以A为基础。

Armv8-A的执行状态有两种，AArch64和AArch32。相应的Armv8-A支持两种指令集：AArch64（A64）和AArch32，其中AArch32又分为A32和T32。A64是固定长度指令集，指令编码32-bit；A32同样是固定长度指令集，32-bit指令编码；T32是变长指令集，16-bit和32-bit指令编码。由于A32和T32主要是为了向前兼容，在Armv8-A中实际应用较少，后面内容基本都是介绍AArch64的相关内容。

AArch64中扩展了一些寄存器，包括以下：31个通用的64位寄存器 (X0-X30)，处理器状态寄存器PSTATE及相关的若干寄存器，堆栈寄存器SP等等。以后会找时间专门分析一下这些寄存器。

Armv8-A中定义了四种异常等级（Exception Level），这在前面的文章中重复过很多次了。

Armv8-A支持GICv3，GICv4，SMMU3。

对于其处理器具体实现的指令集，ARM有一个约定，比如某个处理器实现了Armv8.1-A，那么该处理器：

必须实现Armv8.0-A和Armv8.1-A强制要求的功能

可以实现某些Armv8.2-A中扩展的功能

不允许实现Armv8.3-A和更高版本扩展的功能

对于Armv8.0-A要求的功能，以后有机会慢慢分析。这不是一朝一夕能完成的，毕竟单其架构文档已经上万页了。今天先简单列一下Armv8.0-A以后的版本所扩展的功能，后面我们再慢慢分析Armv8.0-A的基础功能和这些扩展功能。

1. Armv8.1-A

Atomic memory access instructions (AArch64)

Limited Order regions (AArch64)

Increased Virtual Machine Identifier (VMID) size, and VirtualizationHost Extensions (AArch64)

Privileged Access Never (PAN) (AArch32 and AArch64)

2. Armv8.2-A

Support for 52-bit addresses (AArch64)

The ability for PEs to share Translation Lookaside Buffer (TLB)entries (AArch32 and AArch64)

FP16 data processing instructions (AArch32 and AArch64)

Statistical profiling (AArch64)

Reliability Availability Serviceability (RAS) support becomesmandatory (AArch32 and AArch64)

3. Armv8.3-A

Pointer authentication (AArch64)

Nested virtualization (AArch64)

Advanced Single Instruction Multiple Data (SIMD) complex numbersupport (AArch32 and AArch64)

Improved JavaScript data type conversion support (AArch32 andAArch64)

A change to the memory consistency model (AArch64)

ID mechanism support for larger system-visible caches (AArch32 andAArch64)

4. Armv8.4-A

Secure virtualization (AArch64)

Nested virtualization enhancements (AArch64)

Small translation table support (AArch64)

Relaxed alignment restrictions (AArch32 and AArch64)

Memory Partitioning and Monitoring (MPAM) (AArch32 and AArch64)

Additional crypto support (AArch32 and AArch64)

Generic counter scaling (AArch32 and AArch64)

Instructions to accelerate SHA

5. Armv8.5-A and Armv9.0-A

Memory Tagging (AArch64)

Branch Target Identification (AArch64)

Random Number Generator instructions (AArch64)

Cache Clean to Point of Deep Persistence (AArch64)

6. Armv8.6-A and Armv9.1-A

General Matrix Multiply (GEMM) instructions (AArch64)

Fine grained traps for virtualization (AArch64)

High precision Generic Timer

Data Gathering Hint (AArch64)

7. Armv8.7-A and Armv9.2-A

Enhanced support for PCIe hot plug (AArch64)

Atomic 64-byte load and stores to accelerators (AArch64)

Wait For Instruction (WFI) and Wait For Event (WFE) with timeout(AArch64)

Branch-Record recording (Armv9.2 only)

5.8 Armv8.8-A and Armv9.3-A

Non-maskable interrupts (AArch64)

Instructions to optimize memcpy() and memset() style operations(AArch64)

Enhancements to PAC (AArch64)

Hinted conditional branches

Armv9-A是ARM公司最新的架构，但是目前还没有完全公开。

最后提一句，现在基于ARM处理器的多核服务器芯片设计正火，国内外玩家越来越多。ARM公司推出了Server Base SystemArchitecture（SBSA）规范，提出了服务器的硬件要求。下表总结了与Armv8.x-A相关的SBSA要求。

SBSA文档是公开的，感兴趣的朋友可以去官网下载。目前我看到的SBSA文档版本是7.0，在2021年1月发布。

其实SBSA中就是规定了一些规则（rule），对于不同等级有不同的要求。下图是SBSA的不同等级对处理器，SMMU和GIC的要求，可以与上一张图结合看。

审核编辑：汤梓红