ARM架构学习

时间：2024-03-21 12:05:31

ARM架构

ARM架构

具体可以在arm开源设计进行了解。http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0407e/BABFAHID.html

ARM处理器简介

ARM架构过去称作进阶精简指令集机器（AdvancedRISCMachine，更早称作：AcornRISCMachine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。

在今日，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机）到电脑外设（硬盘、桌上型路由器）甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品，重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。

RISC指令集特点

（１）指令集——RISC减少了指令集的种类，通常一个周期一条指令，采用固定长度的指令格式，编译器或程序员通过几条指令完成一个复杂的操作。而CISC指令集的指令长度通常不固定；
（２）流水线——RISC采用单周期指令，且指令长度固定，便于流水线操作执行；
（３）寄存器——RISC的处理器拥有更多的通用寄存器，寄存器操作较多。例如ARM处理器具有37个寄存器；
（４）Load/Store结构——使用加载/存储指令批量从内存中读写数据，提高数据的传输效率；
（５）寻址方式简化，指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少。

ARM历史

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  • 从1995年，ARMV4(主要对应ARM7 family)开始到现在ARM RISC体系结构到现在已经演化了20多年。从设计一开始ARM就关注到了低功耗。
  • 到2011年，所有的ARM-Cotex family都被设计成使用ARMV7架构。
  • ARMV8架构，现在的架构
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简单的内核工作方法分类

  • 用户模式（user）：正常程序执行模式；
  • 快速中断模式（FIQ）：高优先级的中断产生会进入该种模式，用于高速通道传输；
  • 外部中断模式（IRQ）：低优先级中断产生会进入该模式，用于普通的中断处理；
  • 特权模式（Supervisor）：复位和软中断指令会进入该模式；
  • 数据访问中止模式（Abort）：当存储异常时会进入该模式；
  • 未定义指令中止模式（Undefined）：执行未定义指令会进入该模式；
  • 系统模式（System）：用于运行特权级操作系统任务；
  • 监控模式（Monitor）：可以在安全模式和非安全模式之间切换；

ARM 的big.LITTLE

这个多核处理器的大核和小核。比图基于big.LITTLE技术的八核处理器，并没有将传统内核放在单一的处理器上，而是一分为二，其中一个使用了4个“小核心”，另一个则使用了4个“大核心”，这两个“核心”都有着自己独立的速度和性能。通过两大核心自主运行，搭载Big.little技术的处理器比之前的手机CPU更加高效，毕竟后者只有一个或者两个内核。

ARM V8架构

ARMv8 -a架构

ARMv8（当前只有A系列，即ARMv8-A）架构，是ARM公司为满足新需求而重新设计的一个架构，是近20年来，ARM架构变动最大的一次。它引入的Execution State、Exception Level、Security State等新特性，已经和我们对旧的ARM架构的认知，有很大差距了。

由于处理器性能越来越强，运行于其上的软件也来越复杂，复杂到单一应用对内存的需求可能超出32-bit架构所能支持的最大内存（4G），这就是Large memory需求的起因。不过，后来的Cortex-A15（ARMv7架构）通过Large Physical Address Extensions (LPAE) 技术，可以支持高达40bits的物理地址空间。但受限于32-bit的指令集，虚拟地址空间依旧只有32bits（4G），如果有应用需要更大的虚拟内存，怎么办？只能定义一个新的架构，使用64-bit的指令集（也即我们常说的ARM64）。

当然，ARMv8并不仅仅是为了解决虚拟地址的问题，它也要解决现有架构的一些问题。不过，新的问题又来了：一个新的架构？用户为什么要使用新的架构？因此，ARMv8的定义，必须先满足如下前提条件：

1）对上兼容。

2）能解决现存架构的已知问题。

3）相比现存架构，必须具备优势明显的新特性，哪怕软件从来不使用这些新特性

基于上面的前提条件，ARMv8-a架构的主要特性包括：

  1. 新增一套64-bit的指令集，称作A64。
  2. 由于需要向前兼容ARMv7，所以同时支持现存的32-bit指令集，称作A32和T32（也即我们熟悉的ARM和Thumb指令集）。
  3. 定义AArch64和AArch32两套运行环境（称作Execution state），分别执行64-bit和32-bit指令集。软件可以在需要的时候，切换Execution state。
  4. AArch64最大的改动，使用新的概念（exception level），重新解释了processor mode、privilege level等概念。
  5. 在ARMv7 security extension的基础上，新增security model，支持安全相关的应用需求。
  6. 在ARMv7 virtualization extension的基础上，提供完整的virtualization框架，从硬件上支持虚拟化。

ARMv8-A架构模块

Cortex-A57举例
ARM架构学习主要的模块有

  • ARM CoreSight 技术，用于debug使用 Generic
  • Interrupt Controller(GIC)中断控制器
  • Memory Protection Unit（MMU）MMU用于将虚拟地址转化为物理地址 每个Core中都有一个L1
  • 指令和数据Cache，一般每四个core会在一个Cluster中的 存在一个L2 cache
  • SCU(Snoop Control Unit )维护多CPU核之间的数据缓存的一致性，主要作用是CPU控制缓存的操作。
  • ACP(加速器一致性接口)
  • 多个core可能通过Coherent，Bus通信

AArch64 Exception level

Exception level，是ARMv8-a引入的一个新概念，用于整合之前架构中processor mode和privilege level相关的功能。

在ARMV7-a架构中，处理器可以工作在多种模式。不同模式有不同的硬件访问权限（privilege level），也和各类异常一一对应，有自己独有的寄存器。ARMv7-a增加了两个模式：Monitor和Supervisor，分别用于security扩展和virtualization扩展。
ARM架构学习ARMv8-a就把processor mode的概念去掉了，取而代之的是4个固定的Exception level，简称EL0-EL3。同时，也淡化了privilege level的概念。Exception level本身就已经包好了privilege的信息，即ELn的privilege随着n的增大而增大。
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ARMv8-a Exception level有关的说明如下：
1）首先需要注意的是，AArch64中，已经没有User、SVC、ABT等处理器模式的概念，但ARMv8需要向前兼容，在AArch32中，就把这些处理器模式map到了4个Exception level。
2）Application位于特权等级最低的EL0，Guest OS（Linux kernel、window等）位于EL1，提供虚拟化支持的Hypervisor位于EL2（可以不实现），提供Security支持的Seurity Monitor位于EL3（可以不实现）。
3）只有在异常发生时（或者异常处理返回时），才能切换Exception level（这也是Exception level的命名原因，为了处理异常）。当异常发生时，有两种选择，停留在当前的EL，或者跳转到更高的EL，EL不能降级。同样，异常处理返回时，也有两种选择，停留在当前EL，或者调到更低的EL。

ARMv8-A相对于ARMv7架构都有啥区别呢：
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  1. 在ARMv7架构下只能访问最大4GB的地址空间，而在ARMv8-A可以访问更大的地址空间。
  2. ARMv7只支持4KB的page，在ARMv8-A下可以支持多种页类型(4K,16K, 64K)，地址范围【32， 48】最大48位,所以ARMv8-A架构下下应用程序可以访问更大的虚拟地址空间
  3. ARMv8-A首次引入了Exception Level的概念，在ARMv7下使用的是PL0, PL1, PL2。 而在ARMv8-A下使用的是EL0-EL3
  4. ARMv8-A增加了通用寄存器的数量，可以减少函数栈的大小。ARMv8-A下使用了30个通用寄存器，ARMv7下只有15个通用寄存器
  5. ARMv8-A增加了TLB的大小，减少TLB MISS的概率
  6. ARMv8-A架构完全支持ARMv7架构下的应用程序

引用

ARMv8-A architecture overview
scu（snoop control unit）
关于ARM的内核架构

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