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ARM架构基础概念详解：从ARMv8到v9

创作时间:

作者:

@小白创作中心

ARM架构基础概念详解：从ARMv8到v9

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/graceyun/article/details/140284836

本文将详细介绍ARM架构的基础概念，包括ARMv8和v9的主要特性、术语解释、软件架构、安全状态切换模型、执行状态切换模型以及特权模型等。通过本文，读者将能够全面了解ARM架构的核心原理和实现细节。

1.ARMCore的时间线

tips:加E后缀的是车规级别的芯片，是给车辆使用的。

2.ARM术语小结

2.1 A64和arrch64

A64：是指令集。
arrch64：是64位的架构。

2.2ARM架构现在的5个系列

1）A系列：应用于移动终端；
2）R系列：应用于高实时性要求；
3）M系列：应用于嵌入式；
4）X系列：超大核；
5）N系列：应用于服务器。其中X和N系列都是A系列下的。

2.3 微架构

微架构：微架构是在架构的基础上实现的具体IP产品，比如ARM v8.0 架构的 A72，ARM v9.0的A715都是微架构。

2.4 PE

PE：Processing Element ：ARM体系结构定义了抽象机器的行为，称为处理元素（缩写是PE），不仅仅指的ARM Core 其他GPU,NPU的处理单元也可以这么叫。一般将arm核和PE画等号。但是多核比如A65里面，一个核包含两个线程，一个线程就是一个PE，此时就不可以画等号了。

2.5 Banked

Banked：一个地址多份拷贝,一个SOC有4个核， ldr x0,[x1] 这个x1寄存器，哪个核去调用,这个x1就是这个核的x1寄存器。

2.6 ARM文档术语

1.TRM（Technical Reference Manual）：Arm Cortex processor has a Technical Reference Manual,ARM 核的文档，具体实现定义的，比如查看某个寄存器的具体实现；

2.Arm ARMs(ARM Architecture Reference Manual):架构类文档，最常用；

3.CIM(Configuration or Integragtion Manual)：Arm Cortex processor also has a Configuration or Integragtion Manual，一般给ASIC看的，会有板卡飞线等信息。

2.7 IMPLEMENTATION DEFINFD 和 DEPRECATED

IMPLEMENTATION DEFINFD：实现定义的，有两个意思1）ARM IP 产品是实现定义的，比如架构文档中某寄存器是实现定义的，这时候要具体查看它的Core文档，2）是有些实现定义的,ARM没有规定如何实现，需要芯片厂商自己决定如何实现，这个也叫实现定义的。
DEPRECATED：弃用的，在架构更新的时候，可能前面版本的某些实现被弃用了，一般不需要详细研究。
RES0/RERS1 Reservwd,should be Zero /Reserved ,should be one(后续继续补充)

2.8 EL1t和EL1h

EL1t和EL1h的后缀t和h分别表示什么？1）t 表示SP_EL0;h表示SP_ELn。

Exception Level(EL) Stack pointer(SP) options 含义
EL0 SP_EL0t EL0下的 SP_EL0
EL1 SP_EL1t ,SP_EL1h 在EL1中使用SP_EL0,SP_EL1
EL2 SP_EL2t ,SP_EL2h 在EL2中使用SP_EL0,SP_EL2
EL3 SP_EL3t ,SP_EL3h 在EL3中使用SP_EL0,SP_EL2

SP 栈指针一共有4个寄存器SP_EL0,SP_EL1,SP_EL2,SP_EL3。

在EL0只能使用SP_EL0寄存器；在EL1不仅能能使用SP_EL1寄存器，还能使用SP_EL0寄存器；在 EL2不仅能能使用SP_EL2寄存器，还能使用SP_EL0寄存器；在EL3不仅能能使用SP_EL3寄存器，还能使用SP_EL0寄存器；

t：就是SP_EL0 ;h：就是SP_ELn

3 ARMv7的软件架构

1、ARM有多少种模式？

7种，8种，9种都正确。在ARMv7中大部分都是9种模式；部分核是8种模式，不支持Hyp模式；部分是7种，不支持Hyp模式和Secure Monitor 模式

架构微架构 User Privilege Secure Monitor Hypervisor
ARMv4 ARM 7 √ √
ARMv5 ARM 7 √ √
ARMv7 Cortex-A8 √ √ √
ARMv7 Cortex-A9 √ √ √
ARMv7 Cortex-A5 √ √ √
ARMv7 Cortex-A7 √ √ √ √
ARMv7 Cortex-A15 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A53 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A53 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A57 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A72 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A35 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A73 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A55 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A75 √ √ √ √
ARMv8 Cortex-A76 √ √ √ √

4 安全状态切换模型

4.1 Secure state和Non-secure state介绍

在不考虑RME扩展的前提下

1.ARM架构定义了两种安全状态 Secure state和Non-secure state;

2.ARM架构定义了两套物理地址空间:Secure和Non-secure;

3.如果PE是Non-secure state，那么它只能访问非安全物理地址空间:

4.如果PE是Secure state，那么它既能访问安全物理地址空间，也能访问非安全物理地址空间;

5.EL3永远是Secure state;

6.EL2/EL1/ELO是安全状态还是非安全状态，要根据SCREL3.NS比特:

7.SCR EL3.NS比特只能在EL3被修改

8.EL2是安全状态必须满足以下条件：（1）FEAT SEL2 is implemented（2）The Effective value of SCR EL3.EEL2 is 0b1（3）The Effective value of SCR EL3.NS is 0b0.

5 Interprocessing-执行状态切换模型

这个是由于v8中最初是32位架构，后面推出64位架构，V9第一款也是支持32和64，但是后面出的就是全支持64位架构，所以需要学习下这个执行状态切换，但是在未来都会使用64位架构，就不会存在这个问题了。

5.1 执行状态切换的要求

1.执行状态只能在异常从lower Exception level进入higher Exception level时，或从higher Exception level异常返回到lower Exception level时发生修改

2.如果异常进入或异常返回没有发生Exception Level变化，那么此时执行状态是不能被修改的

3.当产生一个异常从lower Exception level进入higher Exception level时，此时执行状态可能不变，或从aarch32变成arch64，不能从aarch64变成aarch32

4、当一个异常返回从higher Exception level到lower Exception level时，此时执行状态可能不变，或从aarch64变成aarch32，不能从aarch32变成aarch64

5.reset也能导致执行状态的变化

5.2、大系统软件中执行状态模型

在64位架构上可以运行64位或者32位，但是在32位架构之上只能运行32位

6.特权模型/安全模型/异常模型

在 ARMv8 中，执行发生在四个异常级别之一。在 AArch64 中，异常级别决定了特权级别，类似于ARMv7中定义的特权级别。异常级别决定特权级别，因此在ELn执行对应于特权PLn。类似地，具有比另一个更大的n值的异常级别处于更高的异常级别。一个数字比另一个小的异常级别被描述为处于较低的异常级别。

异常级别提供了适用于 ARMv8 架构的所有操作状态的软件执行权限的逻辑分离。它类似于并支持计算机科学中常见的分层保护域的概念。