ARM架構 AArch64 基礎知識介紹

介紹

aarch64是 ARM 架構的 64 位版本，它是 ARMv8 架構的一部分，被設計用來提供更高的性能和更大的地址空間，同時保持與 32 位 ARM 架構的兼容性。
AArch64 是 ARMv8 的 64 位指令集架構（ISA），它提供了豐富的指令集來支持高性能計算。
Armv8-A支持三種指令集：A32、T32和A64；在AArch64執行狀態下執行時使用A64指令集。它是一個固定長度的32位指令集，名稱中的64指的是AArch64執行狀態對該指令的使用。它不是指內存中指令的大小。A32和T32指令集也分別被稱為Arm和Thumb。
特點：
64位寄存器：提供了更多的寄存器，每個寄存器都是 64 位寬。
更大的地址空間：支持超過 4GB 的內存地址空間。
改進的指令集：包括新的指令和對現有指令的擴展，以提高性能和效率。
SIMD 擴展：高級 SIMD ( neon) 擴展，提供對單指令多數據（SIMD）操作的支持，增強了圖形和多媒體應用的性能。
虛擬化支持：提供了硬件虛擬化功能，使得 AArch64 架構的處理器可以更有效地運行虛擬機。
節能特性：包括多種節能技術，如動態調頻和電壓調整（DVFS）。
安全性增強：包括安全啟動和加密功能，提高了系統的安全性。

寄存器

寄存器：

寄存器是中央處理器（CPU）內部的一小部分高速存儲資源，用于快速訪問和處理數據。它們在計算機體系結構中起著至關重要的作用。
寄存器（Register）是 CPU 內部的存儲單元。可以用來暫存程序指令，數據和內存地址。因為存在于 CPU 內部，所以它的讀寫速度要比內存快得多。
在寄存器和內存之間，還有一層存儲介質叫緩存（Cache）。緩存也在 CPU 內部，訪問速度比寄存器慢，比內存快。對于程序而言緩存是透明的，不可操作。

寄存器與內存關系：

寄存器和內存是計算機體系結構中的兩種基本存儲資源，它們在程序執行和數據處理中扮演著不同但互補的角色。
寄存器是 CPU 內部的一小部分高速存儲資源，其訪問速度遠遠快于主存（RAM）。內存則作為計算機的主要存儲介質，容量較大但訪問速度較慢。
寄存器用于暫存指令、數據和地址，供 CPU 快速處理。內存則用于存儲程序的指令代碼、大量數據和中間計算結果。
寄存器可以被 CPU 直接訪問，而內存則需要通過地址總線間接訪問。
寄存器的數據寬度通常是固定的，如 32 位或 64 位，而內存可以存儲任意大小的數據。
寄存器和內存之間的數據交換是通過數據總線進行的。CPU 使用 LOAD 和 STORE 指令將數據從內存加載到寄存器，或從寄存器存儲到內存。
寄存器作為 CPU 內部的快速存儲資源，經常用于暫存從內存中讀取的數據或指令，以及待寫入內存的數據；所以寄存器和內存之間的關系就是傳遞這幾種類型的數據，以便于
CPU 進行計算。

寄存器與匯編語言：

匯編語言是一種用于電子計算機、微處理器、和其他可編程設備低級編程的編程語言。它是機器語言的文本表示形式，幾乎與機器碼一一對應，但提供了一些助記符來增強可讀性。
匯編語言提供了直接操作 CPU 寄存器的能力。程序員可以通過匯編指令來控制寄存器中的數據，進行加載、存儲、算術運算、邏輯運算等操作。
匯編語言中的每條指令通常都直接映射到 CPU 的指令集架構上。這意味著匯編語言中的指令直接體現了 CPU 能夠對寄存器執行的操作。
在匯編層面，函數參數和返回值通常通過寄存器傳遞，以減少內存訪問的開銷。
不同的 CPU 架構有不同的寄存器集和專用寄存器，匯編語言允許程序員利用這些特性來編寫高效的代碼。

通用寄存器：

通用寄存器是一組用于存儲數據和地址的寄存器，它們在處理程序中扮演著核心角色。
作用
通用寄存器用于存儲臨時數據、計算結果和變量；
在函數調用時，前幾個參數通常通過 X0 到 X7 寄存器傳遞。返回值通常存儲在 X0 寄存器中；
通用寄存器參與算術（如加、減、乘、除）和邏輯（如 AND、OR、NOT、XOR）運算；
寄存器用于提供內存訪問指令中的基地址、偏移量或索引；
某些通用寄存器（如 X8 到 X17）可以作為調用者保存的寄存器，在函數調用中保持不變，或用于存儲局部變量；
雖然 AArch64 沒有單獨的狀態寄存器，但通用寄存器可以用于存儲和傳遞狀態信息，如條件標志；
通用寄存器用于存儲系統調用的編號和參數，以及在異常或中斷處理中保存上下文；

大多數A64指令都在寄存器上操作。AArch64架構提供了31個通用寄存器。每個寄存器都可以用作64位X寄存器（X0～X30）或32位W寄存器（W0～W30）。這是查看同一寄存器的兩種不同方式。例如，下邊這個寄存器圖顯示W0是X0的低32位，W1是X1的低32位。

每個通用寄存器都是 64 位寬，這意味著它們可以存儲 64 位（8 字節）的整數數據。
x0 - x30 是31個通用整形寄存器。每個寄存器可以存取一個64位大小的數。當使用 x0 - x30 訪問時，它就是一個64位的數。當使用 w0 - w30 訪問時，訪問的是這些寄存器的低32位。

對于數據處理指令，X或W的選擇決定了操作的size。使用X寄存器將導致64位的計算，使用W寄存器將導致32位的計算。
32位整數加法：ADD W0, W1, W2
64位整數加法：ADD X0, X1, X2

其他寄存器：

零寄存器：XZR和WZR，總是讀取為0并忽略寫入。XZR是64位的零寄存器，WZR是32位的零寄存器。
棧指針（stack pointer，SP）寄存器：棧指針寄存器是實現程序的運行時棧管理的關鍵組件，對于維護程序的執行流程和狀態管理至關重要。
鏈接寄存器（Link Register，LR）：在計算機體系結構中是一個專用寄存器，主要用于存儲函數調用的返回地址；在 AArch64 架構中，LR 通常被命名為 X30，而在其他架構中，它可能是一個單獨的寄存器。
程序計數器（PC）：是 cpu 內部一個特殊的寄存器，程序計數器是 CPU 執行指令的基礎，它確保了指令能夠按正確的順序被取出和執行。

浮點寄存器：

AArch64架構引入了SIMD（Single Instruction, Multiple Data）操作，通過矢量寄存器（Vector Registers）來支持高級的浮點運算和數據處理；
AArch64提供了32個128位寬的浮點寄存器，編號從V0～V31；
每個浮點寄存器都是128位寬，足以存儲兩個64位的雙精度浮點數或四個32位的單精度浮點數；

NEON 寄存器：

128 位寬，與浮點寄存器重疊使用，編號從 Q0 ～ Q31；
AArch64 架構的 SIMD 指令集稱為 NEON。NEON 寄存器（Q0 到 Q31）實際上是浮點寄存器的另一種視圖，用于訪問 SIMD 功能。
在 AArch64（ARMv8-A）架構中，浮點寄存器和 NEON 寄存器實際上是同一組寄存器，它們共用相同的物理寄存器集合，但是以不同的方式使用和訪問。
AArch64 提供了一組共用的 128 位寄存器，用于浮點和 SIMD（單指令多數據）操作。
NEON 是 ARM 的 SIMD 指令集，用于處理向量運算。NEON 寄存器用于 SIMD 操作，可以對多個數據元素執行并行操作。

SVE 寄存器：

在 AArch64 架構中，Scalable Vector Extension（SVE）引入了新的寄存器類型，這些寄存器與傳統的通用寄存器和浮點寄存器不同。
SVE引入了可變長度的矢量寄存器，這些寄存器可以從128位擴展到2048位，以適應不同的計算需求；
SVE寄存器（Z0-Z31）在低位與AArch64的SIMD&FP寄存器（V0-V31）共享硬件資源，但SVE提供了更高級的SIMD功能和更大的數據處理能力；
在 ARMv9 架構上發布的 SVE2 是 SVE 指令集的超集和擴展，提供了更多的指令和特性。

系統寄存器：

控制 CPU 的各種系統級功能和行為；
系統寄存器不能直接用于數據處理或load/store指令。相反，需要將系統寄存器的內容讀入通用寄存器X，對其進行操作，然后將其寫回系統寄存器。有兩個專門用來訪問系統寄存器的指令MRS和MSR。
主要的系統寄存器：
系統控制寄存器：SCTLR_ELx，用于控制系統行為，如緩存、頁表遍歷等；
內存管理寄存器：TTBR0_ELx / TTBR1_ELx、TCR_ELx、VTTBR_EL2；
異常鏈接寄存器：ELR_ELx；
保存處理狀態寄存器：SPSR_ELx；
中斷控制寄存器：DAIF、ICC_*；
性能計數器寄存器：
電源管理控制寄存器：
虛擬化控制寄存器：
安全控制寄存器：SCR_EL3
調試和跟蹤控制寄存器
系統寄存器訪問控制
浮點控制寄存器：FPCR

系統寄存器命名：系統寄存器通常帶有 _ELx 后綴，其中 x 表示異常級別（如 EL1、EL2、EL3）