ARM 64位处理器架构ARMv8技术浅析

当地时间10月25-27日，ARM在美国加州圣克拉拉举行了一场技术大会“ARM TechCon 2011”，正式宣布了自己的第一款64位处理器架构“ARMv8”。ARM公司院士、首席架构师Richard Grisenthwaite随即对新架构做了比较深入的技术讲解。






ARM表示，ARMv8 ISA(指令集架构)的引入只是其64位产品发展途中的第一步，计划今年提供GNU工具和64位Linux系统内核，并发布新的标准规范和模型，然后2012年着重开发完善生态系统，2013年及以后陆续放出原型系统。
ARMv8完全向下兼容现有的32位ARMv7软件，而且运行于ARMv8上的64位操作系统也可以简单、高效地支持现有的32位软件。但愿向下兼容不会成为ARM的累赘。


ARMv8是下一个版本的ARM处理器架构，在32位指令的基础上增加64位操作能力，拥有AArch32、AArch64两种执行状态，而且都专注于ARM最擅长、最让人喜欢的高能效。


ARM处理器架构历史演化图：ARMv8集成了之前的各种技术特性，尤其是兼容ARMv7-A的关键特性。


AArch32、AArch64分别采用A32T32、A64指令集，均包含标量浮点单元和高级SIMD。


ARMv8现在还只是个概念，ARM自己还没有宣布任何时机产品，仅仅给开发人员提供了一个预览，需要很长的时间去开发、去构筑整个生态系统，包括ARM自己及其合作伙伴的共同努力，因此ARMv7-A架构仍然有着广阔的发展天地。ARMv8的完整规范将在2012年下半年公布。


ARM透露说，早在2007年他们就已经开始了64位架构的开发工作，而之所以到现在才正式宣布，是因为需要考虑的因素太多太多，包括解决超大虚拟寻址空间的支持、预测ARM传统市场的未来需求、拓展ARM的市场空间等等。

AArch64是一套新的指令集，支持ARMv7架构中的所有功能，包括TrustZone、虚拟化等等，而且内存翻译系统也是基于ARMv7而来的，采用LPAE表格式，翻译表寄存器最高支持48位虚拟寻址。

AArch64指令集的长度固定为32-bit，在语法上也和AArch32基本一样，只在必要的地方做了修改，此外随时都可以访问31个通用寄存器，而且宽度都是64-bit的。

A64、A32不同之处在于，新指令都支持64-bit操作，条件指令要少得多，没有任意长度的载入/存储多重指令。

A64的高级SIMD和浮点指令集与A32基本类似，高级SIMD同样共享浮点寄存器文件，并有三处重要改进：32个128-bit宽度寄存器、支持双精度浮点执行、完整支持IEEE754标准。

A64的通用寄存器文件和媒体寄存器文件。

指令级支持加密AES、SHA-1、SHA-256。

意外模型。有四种意外级别，EL3到EL0。

分组寄存器。

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意外模型结构图。

意外模型命名规则。

MMU内存管理单元支持：最高48位虚拟寻址，最大16EB容量。

页面表信息。

AArch64/AArch32架构关系。

ARM特别强调说，ARMv8新架构并不意味着AArch32的终结，事实上后者还有所增强，带来了多项与寄存器宽度无关的新功能。