ARMv8架構介紹

.. image:: http://www.arm.com/zh/images/roadmap/V5_to_V8_Architecture.jpg

ARMv8架構有一個重要的特點是他與其之前的架構相容。

Execution state

• AArch64 - 64-bit Execution state.

  • 提供 31組 64-bit 的通用暫存器
  • 提供 64-bit Program Counter(PC), Stack-Poiner(SP)與Exception-Link-Register (ELR)
  • 定義最多四種(EL0 - EL3)特權模式
  • 支援 64-bit 虛擬地址
  • 定義一組PSTATE來保存PE state

• AArch32 - 32-bit Execution state

  • 提供 16組 32-bit 的通用暫存器
  • 提供 1組 ELR,作為從Hyp-Mode的Exception返回之用
  • 提供 A32(相容ARMv7 ARM)與 T32(相容ARMv7 Thumb)兩種指令集
  • 使用32-bit 虛擬地址
  • 使用單一的CPSR來保存PE state

在A32與T32中做切換只要透過BX即可，但要在AArch32與AArch64間做切換只能透過Exception

.. image:: http://loda.hala01.com/wp-content/uploads/2014/12/image005.png

(圖片來自loda大大的blog)

AArch64 指令集 (instruction set) 介紹

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.111

系統層級架構 (System Level Architecture)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1405

例外層級 (Exception levels)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1408

• ARMv8-A架構定義了四個例外層級，分別為EL0到EL3，其中數字越大代表特權(privilege)越大。

  • EL0: 無特權模式(unprivileged)
  • EL1: 作業系統核心模式(OS kernel mode)
  • EL2: 虛擬機器監視器模式(Hypervisor mode)
  • EL3: TrustZone® monitor mode

• 要提升到較高層級需要透過exceptions(如: 中斷、page faults等)。

  • EL0 => EL1: SVC (system call)
  • EL1 => EL2: HVC (hypervisor call)
  • EL2 => EL3: SMC (secure monitor call)

• 在轉換時會將返回位址(return address)紀錄在例外連結暫存器ELR(Exception-Link-Register)。

• 每個EL會有個別的SP(stack pointer)

.. image:: /embedded/armv8 arch.png

安全性狀態(Security state)

ARMv8-A架構提供兩種安全性狀態，他們有個別的實體記憶體定址空間(Secure physical address space)。

• 安全狀態(Secure state): PE可以存取安全及不安全的實體定址空間

• 不安全狀態(Non-Secure state): 只能存取不安全的實體定址空間

虛擬化Virtualization

這邊的虛擬化只有支援有實現EL2的架構。以下為其基礎模型:

• 一個跑在EL2的Hypervisor負責切換跑在EL1、EL0的virtual machines
• 一些跑在virtual machines上(在EL1中)的Guest OS
• 每個Guest OS上跑在EL0的應用程式

每個VM會被Hypervisor指定一個VMID。

EL2只會實現在 Non-secure state，並負責:

• 提供虛擬值給少數特定的暫存器(1)。Guset OS 或其上的應用程式讀取這些暫存器時會得到虛擬的值。
• Trapping: 當在做記憶體管理及存取其他大多數的暫存器((1)之外的)時會產生exception並由EL2處理。
• Routing interrupt: 將中斷分配給
  • 現在的Guest OS
  • 現在沒在執行的Guest OS
  • hypervisor
  (以上會在個別的章節特別探討)

實現EL2包含以下實作:

• Hypervisor Call (HVC) exception
• Traps to EL2
• 虛擬中斷:
  • 包括:
    • Virtual SError
    • Virtual IRQ
    • Virtual FIQ
  • 所有虛擬中斷會由EL1處理
  • 每個虛擬中斷可由EL2個別啟用
  • 每個虛擬中斷都會有其對應的實體中斷
  • 當一個虛擬中斷被啟用時，其對應的實體中斷會由EL2處理(除非EL3指定他要處理)

虛擬記憶體系統架構 (Virtual Memory System Architecture)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1707

通用計時器 (The Generic Timer)

ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual P.1855

reference

• ARMv8-A_Architecture_Reference_Manual_(Issue_A.a) (需登入)<http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0487a.e/index.html>_
• loda armv8-與-linux的新手筆記<http://loda.hala01.com/2014/12/armv8-%E8%88%87-linux%E7%9A%84%E6%96%B0%E6%89%8B%E7%AD%86%E8%A8%98/>_
• http://www.slideshare.net/badaindonesia/linux-on-arm-64bit-architecture?related=1