ARM8 64位汇编简介 - 尘叶心繁的专栏

ARM8 64位汇编简介
ARM8 64位汇编简介
版本差异
多核处理器
内存管理单元MMU
虚拟内存（Virtual Memory）
物理内存（Physical Memory）
地址转换表（Translation Table）
ARM8寄存器
通用寄存器
SPSR寄存器
特殊寄存器
PSTATE (处理器状态)
系统寄存器
AArch64到AArch32寄存器映射（向前兼容）

版本差异

特性	ARM7	ARM8
内存	仅支持 32 位地址空间	支持 64 位和 32 位地址空间
虚拟化	不支持硬件虚拟化	支持硬件虚拟化，包括虚拟化扩展和高效虚拟机管理
安全	较少的安全特性，主要依赖软件实现	增强的安全特性，如 ARM TrustZone
执行状态	仅支持 32 位执行状态	支持 64 位和 32 位执行状态
异常级别	不支持多级异常级别，仅有一个特权级别	支持多个异常级别，包括 EL0 (用户), EL1 (内核), EL2 (虚拟化), EL3 (安全监控)
安全模式	不支持硬件级别安全模式，依赖软件保护	支持 ARM TrustZone 安全模式，提供硬件隔离
主要用途	嵌入式系统和简单消费电子产品	高性能计算设备、服务器、桌面计算机、高端嵌入式系统

一般未来一些高端设备都是armv8进行开发。

多核处理器

类型	解释	优势	适用场景
单核处理器	只有一个处理核心	- 设计、实现和调试相对简单 - 制造成本和功耗较低	嵌入式系统中的单一任务
多核处理器	有多个处理核心，可以同时执行多个任务	- 能够同时处理多个任务，提高整体系统的性能 - 多个核心分担任务，响应时间更快 - 降低单个核心的频率和功耗	智能手机、服务器等需要高并发处理的场景
同构多核 (SMP)	多个相同架构的核心运行一个操作系统	- 所有核心平等地处理任务，容易实现负载均衡 - 开发者可以将任务均匀分配到各个核心，无需考虑核心差异	通用计算设备、服务器等多任务处理系统
混合架构多核 (HMP)	不同架构的多个核心运行一个操作系统	- 高性能核心处理重任务，低功耗核心处理轻任务，达到性能和功耗的最佳平衡 - 动态分配核心，提高系统效率	需要在高性能和低功耗之间动态切换的设备，如智能手机
异构处理器 (AMP)	多个不同架构的核心运行多个操作系统	- 每个核心可以独立运行不同的操作系统和任务，互不干扰 - 将特定任务分配给最适合的核心，提高处理效率	工业控制、航空航天等需要同时运行多个实时和非实时操作系统的场景

内存管理单元MMU

这是一张内存管理图，左边是虚拟内存右边是物理内存。
中间的Translation table（转换表）负责将虚拟地址转换为物理地址。

虚拟内存（Virtual Memory）

虚拟内存的上部分（0xFFFFFFFF_FFFFFFFF 到 0xFFFF0000_00000000）

	用途	举例
保留区（Reserved）	保留区通常是为将来扩展或特殊用途保留的内存地址，不会被一般程序使用。	操作系统可能会在这里预留一些空间用于内核数据结构或高级功能，比如内存镜像。
外设（Peripherals）	用于映射硬件设备的地址，使CPU可以通过读写这些地址来控制设备。	一个计算机的网络接口卡（NIC）或图形处理单元（GPU）的控制寄存器会映射到这里，操作系统通过访问这些地址来发送网络数据或渲染图像。
ROM	存储只读数据，通常是系统启动时需要的固件或初始化代码。	计算机的BIOS或UEFI固件存储在ROM中，开机时，CPU从ROM中读取启动指令来初始化系统。
保留区（Reserved）	同上，预留的内存地址空间。	可能用于特定的内核功能或扩展，例如高级安全功能的实现。
RAM	存储正在运行的程序和数据。	运行中的应用程序，如浏览器、文本编辑器，它们的代码和数据都会存放在RAM中。

虚拟内存的下部分（0x0000FFFF_FFFFFFFF 到 0x00000000_00000000）

	用途	举例
保留区（Reserved）	预留的内存地址空间。	可能用于用户空间中的特定用途，例如高级用户模式驱动程序或应用的扩展模块。
RAM	同上，存储正在运行的程序和数据。	用户态的应用程序，如游戏或办公软件，它们运行时需要大量内存，都会在这里分配。

物理内存（Physical Memory）

物理内存的上部分

	用途	举例
保留区（Reserved）	预留的物理内存，不被一般应用程序直接使用。	系统保留用于特定用途，如热插拔内存设备的地址空间。
外设（Peripherals）	物理设备的地址映射区域。	计算机中的声卡、网卡等设备的物理地址。
保留区（Reserved）	预留的物理内存地址空间。	用于高级内存管理功能或操作系统特定用途。
ROM	存储只读数据，如固件和启动代码。	计算机的启动固件存储在这里，系统启动时从这里读取初始化指令。
RAM	实际使用的物理内存。	运行中的程序和数据在这里存储。

物理内存的下部分

	用途	举例
保留区（Reserved）	预留的物理内存地址空间。	可能用于高级内存管理功能，确保内存分配的灵活性和安全性。
RAM	实际使用的物理内存。	操作系统和应用程序的实际数据存储在这里，包括内核、堆、栈等。

地址转换表（Translation Table）

用途：这些寄存器保存翻译表的基地址，用于将虚拟地址映射到物理地址。
举例：当CPU访问一个虚拟地址时，MMU使用这些寄存器中的翻译表来查找对应的物理地址。
例如，用户态程序访问某个数据时，MMU通过TTBR0_EL0将虚拟地址转换为物理地址。

这张图展示了虚拟地址空间到物理地址空间的映射，特别是两个不同的翻译基地址寄存器（Translation Table Base Register，TTBR）的工作情况。

	用途	举例
TTBR1	用于管理内核态的地址空间。	操作系统内核代码和数据会被映射到物理地址上，使得内核可以正常工作和运行。
FAULT	作为保护机制，防止非法访问。	表示这是一个无效区域，如果访问到这里会引发一个页面错误（page fault）。

上边都是内核空间，下面是应用空间。

	用途	举例
TTBR0	这是另一个翻译表基地址寄存器，专门用于用户态（应用程序空间）的地址映射。	用户运行的应用程序，比如浏览器、文本编辑器等，它们的虚拟地址通过这个翻译表映射到物理内存。

图片右边展示的是物理地址空间，这里表示了虚拟地址是如何被映射到实际的物理内存地址的。
虚拟地址（0xFFFFFFFF_FFFFFFFF 到 0xFFFF0000_00000000）：这段虚拟地址通过TTBR1（内核态）翻译表映射到物理地址空间。
虚拟地址（0x0000FFFF_FFFFFFFF 到 0x00000000_00000000）：这段虚拟地址通过TTBR0（用户态）翻译表映射到物理地址空间。

ARM8寄存器

通用寄存器

这些是CPU中最常用的数据存储单元。想象它们是CPU的小笔记本,可以快速记录和读取数据。每个寄存器都有两种模式:
64位模式 (X0-X30): 可以存储更大的数字
32位模式 (W0-W30): 存储较小的数字,但处理速度可能更快

需要注意的是，X29 通常用作帧指针(FP)，X30 通常用作链接寄存器(LR),存储函数返回地址

SPSR寄存器

这个寄存器就像是CPU的”心情日记”。它记录了当前程序运行的各种状态:
NZCV: 这些是条件标志,告诉CPU上一个操作的结果(是否为负,是否为零等)
DAIF: 这些位控制不同类型的中断(类似于CPU的”勿扰模式”)
CurrentEL: 表示当前的特权级别,决定程序能做什么不能做什么
SPSel: 选择使用哪个栈指针

特殊寄存器

ZR (零寄存器): 永远返回0,用于一些特殊操作,列如目标寄存器时丢弃结果。
SP（堆栈指针）：管理函数调用和局部变量,SP指向顶部
PC (程序计数器): 指向下一条要执行的指令,像是CPU的”阅读指针”
SPSR和ELR: 在处理异常(如中断)时使用,保存正常执行时的状态

在ARM8中有4个异常级别，从EL0-EL3

异常级别	描述
EL0	用户级别，运行普通应用程序
EL1	操作系统级别
EL2	虚拟化层级别
EL3	最高权限级别，通常用于安全监控

每个异常级别都有自己的栈指针
分别对应如下列表。

异常级别栈指针	描述
SP_EL0	用户程序的栈指针
SP_EL1	操作系统的栈指针
SP_EL2	虚拟化层的栈指针
SP_EL3	安全监控的栈指针

保存的程序状态寄存器 (SPSR):
SPSR_EL1, SPSR_EL2, SPSR_EL3:
这些寄存器用于在异常发生时保存程序状态。当从较低级别切换到较高级别时，当前的程序状态会被保存在相应的SPSR中。
异常链接寄存器 (ELR):
ELR_EL1, ELR_EL2, ELR_EL3:
这些寄存器保存了发生异常时的返回地址。当异常处理完成后，处理器使用这个地址返回到原来的执行点

PSTATE (处理器状态)

PSTATE (处理器状态)这是更详细的CPU状态描述,包括:
条件标志 (NZCV)
中断控制位 (DAIF)
当前执行级别
以及其他控制位