ARM重新定义ARMv8新架构，ARMv8新架构特性解说
1. 前言
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。
因此，本文从armv8-a产生的背景开始，对它进行一个简单的介绍，使大家从整体上，对armv8有一个简单的了解。
2. 背景
有一点是可以确定的，arm诞生时，对intel主导的pc市场，没有（也不敢有）一点点的非分之想。最初的armv4（arm7系列），到最近的armv7（cortex-a,-m,-r系列），都是针对功耗比较敏感的移动设备的，就性能而言，基于arm处理器的设备，始终无法和pc相提并论。
但从armv7开始，情况开始有些转变，arm的市场开始扩展到移动设备之外的其它领域，这也是armv7划分为a（application）、r（real-time）和m（microcontroller）三个系列的原因，其实质就是三个细分市场，其中的a系列，就是针对性能要求较高的应用。
特别是在cortex-a9之后，arm的处理性能有很大的提高，渐渐的吸引了一些pc用户。因此基于arm的类pc产品，如平板电脑，开始大量涌现。此时，arm的处理能力，已经有机会应用于其它领域了，如企业设备、服务器等，当然，其优势依然是低功耗。
与此同时，新的趋势正在酝酿，主要包括大内存（large memory）、虚拟化（virtualization）和安全（security）。virtualization在armv7上已经有简单的硬件实现，security也有可能基于当前架构扩展，唯有large memory的需求，有点棘手。
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）。
毫无疑问，在现阶段，需要超过4g虚拟内存的应用场景，是非常少的。但arm还是定义了一个新的架构--armv8，为什么呢？下面是arm的解释（只有伟大的公司才有伟大的理念！）：
trends. that’s really what arm has to look at when defining a new architecture. that is the nature of our business, we need to look a long way forward, and plan.
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。
以上就是armv8-a产生的背景，也是armv8-a架构之所以是“这个”样子的直接原因。那么到底是什么样子呢？我们继续介绍。
3. armv8-a架构简介
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，具体可参考第4章的介绍。
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。
4. 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。
4.1 armv7之前的实现
我们知道，以前的arm架构，处理器可以工作在多种模式（称作processor mode）下，包括user、fiq、irq、abort、undefined、system等，之所以存在不同的模式，主要有2个方面的考虑：
1）不同的处理器模式，有不同的硬件访问权限，称作privilege level。
主要有2个level，privilege和non-privilege。其中只有user模式属于non-privilege level，其它均是privilege level。
安全起见，大多数时候，软件都运行在user mode。一旦需要其它操作，则需要切换到相应的privilege模式下。这是最原始、最朴素的安全思想，当然，只防君子，不防小人。
2）这些处理器模式，除user模式外，其它模式基本上和各类异常一一对应。而不同的模式，都有一些自己独有的寄存器，例如r13(sp)、r14(lr)等等，可以使模式切换过程（也是异常处理过程）更为高效、便利。
4.2 armv7-a的实现
armv7-a基本保留了之前的设计，不同之处，将privilege level命名了，称作pl0和pl1（也许您猜到了，后来出现了pl2，用于虚拟化扩展（virtualization extension）。
另外，增加了两个模式：monitor和supervisor，分别用于security扩展和virtualization扩展。
4.3 armv8-a的实现
可能armv8-a的设计者觉得之前的设计有些啰嗦，就把processor mode的概念去掉（或者说淡化）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。类似地，可以将el0归属于non-privilege level，el1/2/3属于privilege level。
这些exception level的现实意义是（如下图，先忽略secure model有关的内容）：
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。
注1：有关armv8-a异常处理的具体细节，会在其它文章中描述。
5. security model
armv8-a的security模型基本沿用了armv7 security extension的思路，主要目的保护一些安全应用的数据，例如支付等。它不同于privilege level等软件逻辑上的保护，而是一种物理上的区隔，即不同security状态下，可以访问的物理内存是不同的。
armv8-a架构有两个security state（参考上面图片），security和non-security。主要的功效是物理地址的区隔，以及一些system control寄存器的访问控制：
在security状态下，处理器可以访问所有的secure physical address space以及non-secure physical address space；
在non-security状态下，只能访问non-secure physical address space，且不能访问secure system control resources。
6. virtualization
硬件虚拟化包括指令集虚拟化、异常处理虚拟化、mmu虚拟化、io虚拟化等多个议题，比较复杂，这里先不描述了。
7. 总结
本文简单介绍了armv8-a中的一些概念，后续文章将会重点关注异常处理模型、security模型、virtualization模型。
物联网的定义，它与互联网的关系
USB Type-C身份验证程序将检测防止不兼容的连接器
谷歌的Med PaLM 2或将更擅长医疗保健对话
软件定义存储的实施是对的吗
局域网交换机的能源效率测试
ARM重新定义ARMv8新架构，ARMv8新架构特性解说
百度最新版本Apollo6.0发布,百度自动驾驶技术的更迭
MCU应用安全性
智造之眼®BTB连接器视觉应用
中国移动:2020年5G芯片整体成熟度有所提升
伦敦地铁2024年底将全覆盖4G网络
海南儋州市供电局今年将重点建设以儋州为中心的西部智能电网
数据线的功能远远超乎你的想象
红外遥控解码原理讲解
水资源可持续利用VR线上博览会的作用
UHF室内电视天线的制作
快递预约上门取件API免费接口
低延迟蓝牙耳机有哪些，高性价比的蓝牙耳机推荐
一款专门针对BTB连接器测试的模组—弹片微针模组
线束加工设备自动化升级路在何方
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。
因此，本文从armv8-a产生的背景开始，对它进行一个简单的介绍，使大家从整体上，对armv8有一个简单的了解。
2. 背景
有一点是可以确定的，arm诞生时，对intel主导的pc市场，没有（也不敢有）一点点的非分之想。最初的armv4（arm7系列），到最近的armv7（cortex-a,-m,-r系列），都是针对功耗比较敏感的移动设备的，就性能而言，基于arm处理器的设备，始终无法和pc相提并论。
但从armv7开始，情况开始有些转变，arm的市场开始扩展到移动设备之外的其它领域，这也是armv7划分为a（application）、r（real-time）和m（microcontroller）三个系列的原因，其实质就是三个细分市场，其中的a系列，就是针对性能要求较高的应用。
特别是在cortex-a9之后，arm的处理性能有很大的提高，渐渐的吸引了一些pc用户。因此基于arm的类pc产品，如平板电脑，开始大量涌现。此时，arm的处理能力，已经有机会应用于其它领域了，如企业设备、服务器等，当然，其优势依然是低功耗。
与此同时，新的趋势正在酝酿，主要包括大内存（large memory）、虚拟化（virtualization）和安全（security）。virtualization在armv7上已经有简单的硬件实现，security也有可能基于当前架构扩展，唯有large memory的需求，有点棘手。
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）。
毫无疑问，在现阶段，需要超过4g虚拟内存的应用场景，是非常少的。但arm还是定义了一个新的架构--armv8，为什么呢？下面是arm的解释（只有伟大的公司才有伟大的理念！）：
trends. that’s really what arm has to look at when defining a new architecture. that is the nature of our business, we need to look a long way forward, and plan.
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。
以上就是armv8-a产生的背景，也是armv8-a架构之所以是“这个”样子的直接原因。那么到底是什么样子呢？我们继续介绍。
3. armv8-a架构简介
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，具体可参考第4章的介绍。
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。
4. 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。
4.1 armv7之前的实现
我们知道，以前的arm架构，处理器可以工作在多种模式（称作processor mode）下，包括user、fiq、irq、abort、undefined、system等，之所以存在不同的模式，主要有2个方面的考虑：
1）不同的处理器模式，有不同的硬件访问权限，称作privilege level。
主要有2个level，privilege和non-privilege。其中只有user模式属于non-privilege level，其它均是privilege level。
安全起见，大多数时候，软件都运行在user mode。一旦需要其它操作，则需要切换到相应的privilege模式下。这是最原始、最朴素的安全思想，当然，只防君子，不防小人。
2）这些处理器模式，除user模式外，其它模式基本上和各类异常一一对应。而不同的模式，都有一些自己独有的寄存器，例如r13(sp)、r14(lr)等等，可以使模式切换过程（也是异常处理过程）更为高效、便利。
4.2 armv7-a的实现
armv7-a基本保留了之前的设计，不同之处，将privilege level命名了，称作pl0和pl1（也许您猜到了，后来出现了pl2，用于虚拟化扩展（virtualization extension）。
另外，增加了两个模式：monitor和supervisor，分别用于security扩展和virtualization扩展。
4.3 armv8-a的实现
可能armv8-a的设计者觉得之前的设计有些啰嗦，就把processor mode的概念去掉（或者说淡化）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。类似地，可以将el0归属于non-privilege level，el1/2/3属于privilege level。
这些exception level的现实意义是（如下图，先忽略secure model有关的内容）：
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。
注1：有关armv8-a异常处理的具体细节，会在其它文章中描述。
5. security model
armv8-a的security模型基本沿用了armv7 security extension的思路，主要目的保护一些安全应用的数据，例如支付等。它不同于privilege level等软件逻辑上的保护，而是一种物理上的区隔，即不同security状态下，可以访问的物理内存是不同的。
armv8-a架构有两个security state（参考上面图片），security和non-security。主要的功效是物理地址的区隔，以及一些system control寄存器的访问控制：
在security状态下，处理器可以访问所有的secure physical address space以及non-secure physical address space；
在non-security状态下，只能访问non-secure physical address space，且不能访问secure system control resources。
6. virtualization
硬件虚拟化包括指令集虚拟化、异常处理虚拟化、mmu虚拟化、io虚拟化等多个议题，比较复杂，这里先不描述了。
7. 总结
本文简单介绍了armv8-a中的一些概念，后续文章将会重点关注异常处理模型、security模型、virtualization模型。
物联网的定义，它与互联网的关系
USB Type-C身份验证程序将检测防止不兼容的连接器
谷歌的Med PaLM 2或将更擅长医疗保健对话
软件定义存储的实施是对的吗
局域网交换机的能源效率测试
ARM重新定义ARMv8新架构，ARMv8新架构特性解说
百度最新版本Apollo6.0发布,百度自动驾驶技术的更迭
MCU应用安全性
智造之眼®BTB连接器视觉应用
中国移动:2020年5G芯片整体成熟度有所提升
伦敦地铁2024年底将全覆盖4G网络
海南儋州市供电局今年将重点建设以儋州为中心的西部智能电网
数据线的功能远远超乎你的想象
红外遥控解码原理讲解
水资源可持续利用VR线上博览会的作用
UHF室内电视天线的制作
快递预约上门取件API免费接口
低延迟蓝牙耳机有哪些，高性价比的蓝牙耳机推荐
一款专门针对BTB连接器测试的模组—弹片微针模组
线束加工设备自动化升级路在何方