ART世界探险(3) - ARM 64位CPU的架构快餐教程

前面我们说过，Dalvik如果没有JIT的话，可以做到架构无关，让Dalvik指令都解释执行。但是ART是AOT，要编译成针对芯片具体的机器指令。

所以，研究Dalvik的时候可以不用太关心目标指令，而我们研究ART必须对目前最流行的微处理器的架构有个基本的了解。

在上一讲我们对于ART从java byte code到ARM64 v8指令的整个流程有了一个大概的了解之后，我们就目前最流行的ARM64位芯片的知识进行一些探索。

我们的目的不是写一个操作系统，所以我们尽可能挑实用的讲。

ARM架构简史

我们用NDK编译一个jni库之后会发现，生成了armeabi,armeabi-v7a,arm64-v8a三个目录。这三个目录，代表了ARM目前最流行的三种架构的指令集。

ARM芯片从1985年诞生以来，经历了主要6次大的架构调整。

ARMv4及之前：只使用32位的ARM指令集。

ARMv4T，在32位ARM指令集的基础上，增加了16位的Thumb指令集。这是第一个被广泛使用的架构，代表芯片ARM7TDMI和ARM9TDMI。

ARMv5TE，增加了DSP操作，饱和算法，ARM和Thumb切换。代表芯片：ARM926EJ-S。

ARM v6，对内存访问的架构有所调整，支持SIMD指令。代表芯片：ARM1136JF-S。这一代Thumb2成为可选项。

ARM v7-A，将v6时可选的Thumb2指令集变成必选项，支持NEON指令。代表芯片Cortex-A8, A9, A15, A17。

ARMv8-A，支持两种架构，64位的AArch64和AArch32。其中，AArch32跟原有的v7-A架构是基本一样的。代表芯片为A57, A53, A73, A72.

我们通常见到的armeabi，实际上对应的是ARM v4T~v6的指令。为了节省空间，我们基本上都编成16位的Thumb指令。armeabi-v7a，对应v7-A架构。arm64-v8a对应ARM v8-A的AArch64指令。

我们习惯上，把ARM v4之前就有的基础的32位ARM指令集称为A32指令集，16位的Thumb指令称为T16指令集，AArch64指令集称为A64指令集。

其中，Thumb/Thumb2和A32指令集是兼容的。Thumb和Thumb2比较节省空间，但是有些A32指令的功能是没有的。

这时候，只要从Thumb状态切换到ARM状态下就好了，执行完A32才有的指令，回去再执行T16指令就好了。

但是A64指令是不兼容Thumb的，在这种状态下，只有A64指令这一种指令可以用。

Android所用的ARM芯片简史

在Android刚出来的时候，HTC G1所用的高通MSM7201芯片,基于ARM11，用的是ARM v6指令集。

后来德州仪器的OMAP 3430第一次将Cortex-A系列的第一个架构Cortex-A8，引入现实世界中。开启了ARM v7a的时代。这个时代的代表机型就是Moto Droid/MileStone，开启了第一批百万级的Android手机。

随后，从NVidia的Tegra 2开始，我们进入了A9和双核的时代。Tegra 3使用Cortex-A15，在32位上达到一个高峰。

同时，以MediaTek为代表的中低端厂商开始将低端的Cortex-A7发挥到极致，MT6577是两个A7，MT6589为4个A7，MT6592是8个A7.

进入64位时代的代表芯片，就是Qualcomm的SnapDragon 810芯片，4个Cortex-A57的发热问题困扰了无数厂商去年整整一年。

MediaTek继续发挥低端的威力，升级成64位的Cortex-A53。MT6735芯片4个A53，MT6753芯片8个A53。幸好最近的Helix X25/20开始用A72+A53了，我们总算是在MTK芯片上见到一次大核的身影。

从芯片的广泛性上考虑，我们这个讲座的目标芯片就放在Cortex-A53上。

Cortex-A57和Cortex-A53芯片对比

我们简单列一下A57与A53的对比，大家有个直观印象就好。

	Cortex-A53	Cortex-A57
典型时钟	2GHz, 28nm工艺	1.5~2.5GHz, 20nm工艺
执行顺序	顺序	乱序、投机问题、超标量
核心数	1~4	1~4
峰值整数能力	2.3MIPS/MHz	4.1~4.76MIPS/MHz
浮点单元	有	有
半精度	有	有
硬件除法	有	有
融合乘法累加	有	有
流水线	8级	15级+
返回栈条目	4	8
通用中断控制	外部	外部
AMBA接口	64位 AMBA 4/5	128位 AMBA 4/5
L1指令缓存	8K ~ 64KB	48KB
L1数据缓存	8K ~ 64KB	32KB
L2缓存	可选	集成
L2缓存	128K~2M	512K~2M
主TLB	512	1024
uTLB	10	48指令，32数据

对我们理解后续知识有影响的主要有两条：一是Cortex-A53不支持乱序执行，这将影响未来的优化策略；另一个是A53的流水线没有A57深，只有8级。

ARM v8a架构简介

异常等级

ARM v8a引入了异常等级的概念。一共有从EL0到EL3四种异常等级，等级越高，特权越高。我们的应用一般都运行于EL0。操作系统内核运行于EL1，EL2和EL3可以留给安全监控软件和KVM之类的虚拟化软件使用。

AArch64与AArch32

ARM芯片曾经指令集比x86容易学的重要原因是历史包袱少，不需要兼容历史上的指令集。现在ARM 64位芯片也不得不做起兼容自己以前的重任。ARM的做法是将运行状态分成AArch64和AArch32两种状态。AArch64就是我们后面重点学习的64位的指令集的运行态，而AArch32是兼容Arm-v7a的状态，所有Arm-v7a以及更早的软件都可以在这个状态上正常运行。

对于我们应用来讲，EL0是没有权限进行AArch64和AArch32状态切换的，所以我们只能一条道走到黑地用一处状态。这也是我们的A64指令无法切换到A32,T16指令的原因。

寄存器

通用寄存器

在AArch64运行态下，在所有的异常级下，都可以访问31个64位通用寄存器，它们的命名是X0~X30。

这31个64位寄存器也可以通过W0~W30来访问低32位。

读Wn时，不会影响到高32位的值。写Wn时，会将高32位全部清0.

我们来看一段之前看过的例子：

str x0, [sp, #-32]!str lr, [sp, #24]str w1, [sp, #40]str w2, [sp, #44]

str x0是使用第0个64位寄存器。

str w1是只使用第1个64位寄存器的低32位

特殊寄存器

零寄存器:XZR/WZR，写该寄存器会被忽略，读该寄存器会得到全0值。

PC：程序指针寄存器，64位。注意，还是叫PC，不叫XPC啊！在ARMv7之前，PC可以做为R15，当成通用寄存器来使用，在ARMv8上，不允许直接访问。

SP：栈寄存器，64位。对应的32位为WSP，但是64位的这个就叫SP不叫XSP啊！SP是每个EL对应一个（反正咱们只有EL0这个）。

ELR（Exception Link Register）：异常链接寄存器，EL1~EL3各有一个。存储了从中断返回的地址，这个咱们应用没权限用，本系列中学不到

SPSR：(Saved Processor State):EL1~EL3各有一个。保存了发生异常时的状态信息，这个咱们也用不着。

状态域

在AArch64运行态下，没有对应CPSR(Current Program Status Register)的寄存器。每种状态现在需要分别访问。

这些状态有：

N – 负数

Z – 0

C – 进位

V – 溢出

D – 调试位

A – Serror

I – IRQ

F – FIQ

SS – 软件单步跟踪

IL – 无效运行态

EL – Exception Level

nRW – 执行态，0为64位，1为32位

SP – 栈指针选择，0为EL0，n为ELn。

N, Z, C, V四种状态是可以在EL0级别被访问的，其它的都需要EL1以上级别。所以，咱们写应用只需要知道前4个就行了，多省心：）

系统寄存器

系统配置是通过MRS和MSR指令去访问系统寄存器来实现的。

NEON寄存器

在通用寄存器之外，ARMv8还提供了32个128位NEON浮点寄存器，V0~V31。它们也可以被当作半精度寄存器H，单精度寄存器S和双精度寄存器D。

A64 ATPCS支持最多传8个参数，通过X0~X7。而A32和T32只支持4个。说人话就是，如果一个函数调用要传8个参数，就可以放到X0~X7这8个64位寄存器里。

ARM v8a小结

ARM v8a支持AArch64和AArch32两种运行态，在应用运行的EL0权限下不能切换，只能选一种。AArch64状态下只能运行A64这一种指令集，而AArch32运行态下，可以执行A32和Thumb2两种指令集，这两种之间可以自由切换。

在AArch64运行态下，我们有31个64位通用寄存器(X0~X30),32个128位NEON浮点寄存器，一个零寄存器用于写无用数据，一个PC指令指针，一个SP栈指针，状态位只需要记4个：N负Z零C进行V溢出。

既然是快餐文，就讲这么多。大家能对上面小结的了解清楚，我们就可以正式向指令集前进了〜