浅析ARMv8体系结构：程序运行寄存器

概述

ARM体系架构下，程序运行依赖一系列的寄存器，用于记录运行状态、过程数据以及系统配置等，这些寄存器大体可分为以下几个类别：

• 通用寄存器
• 程序状态寄存器
• 特殊寄存器
• 系统寄存器。

通用寄存器

AArch64运行状态支持31个64位的通用寄存器，分别是X0～X30寄存器，而AArch32状态支持16个32位的通用寄存器。通用寄存器除了用于数据运算和存储之外，还可以在函数调用过程中起到特殊作用，ARM64架构的函数调用标准和规范对此有所约定。

在AArch64状态下，使用X来表示64位通用寄存器，如X0、X30等。另外，还可以使用W来表示低32位的数据，如W0表示X0寄存器的低32位数据，W1表示X1寄存器的低32位数据

通用寄存器中有2个相对特殊的寄存器X29和x30，主要用于函数调用过程，其中：

• X29：栈帧寄存器，可以通过别名FP进行引用，用于记录函数调用栈帧的基地址；
• X30：链接寄存器，可以通过别名LR进行引用，用于保存函数调用的返回地址。

程序状态寄存器

在AArch64里使用PSTATE寄存器来表示，准确来说PSTATE并不是单一的寄存器，而是一系列系统状态的组合。

PSTATE状态通常是通过其它特殊的系统寄存器进行访问，包括CurrentEL、DAIF、SPSel、PAN、UAO以及NZCV寄存器，这些寄存器可以通过指令MRS/MSR进行访问和操作。

NZCV标记位

1. C 只管无符号溢出（纯二进制进位，和正负无关）
2. V 只管补码有符号溢出（符号位出错）
3. N/Z 只是结果属性，和溢出无关

特殊寄存器

ARMv8架构除了支持31个通用寄存器之外，还提供多个特殊的寄存器：

PC寄存器

PC寄存器通常用来指向当前运行指令的下一条指令的地址，用于控制程序中指令的运行顺序，ARM不支持通过指令来直接访问它，但使用分支跳转和返回指令可以间接改变。

SP寄存器

ARMv8架构支持4个异常等级，每一个异常等级都有一个专门的SP寄存器SP_ELn，存放当前异常等级下程序运行使用的栈地址，如处理器运行在EL1时选择SP_EL1寄存器作为SP寄存器。

• SP_EL0：EL0下的SP寄存器。
• SP_EL1：EL1下的SP寄存器。
• SP_EL2：EL2下的SP寄存器。
• SP_EL3：EL3下的SP寄存器。

当处理器运行在比EL0高的异常等级时，处理器可以访问如下寄存器。当前异常等级对应的SP寄存器SP_ELn。
EL0对应的SP寄存器SP_EL0可以当作一个临时寄存器，如Linux内核里使用该寄存器存放进程的task_struct数据结构的指针。
当处理器运行在EL0时，它只能访问SP_EL0，而不能访问其他高级的SP寄存器。

SPSR寄存器

当CPU进入异常处理时，硬件会自动把当前CPU的程序状态保存到SPSR（Saved Process Status Register）寄存器中。SPSR寄存器内容定义如下：

当异常将要发生时，CPU会把PSTATE的值暂时保存到SPSR里；当异常处理完成并返回时，CPU再把SPSR的值恢复到PSTATE。

异常链接寄存器（ELR）

ELR寄存器用于存放异常返回地址。当处理器发生异常时，会将异常返回地址保存在异常级别对应的ELR寄存器中。AArch64位每个异常级别都提供了ELR寄存器。

CurrentEL寄存器

CurrentEL寄存器用于访问PSTATE寄存器中的EL字段，EL保存了当前任务运行的异常等级，使用MRS指令可以读取当前异常等级：

MRS X0, CurrentEL

其中：

• 0：表示EL0；
• 1：表示EL1；
• 2：表示EL2；
• 3：表示EL3。

SPSel寄存器

SPSel寄存器用于访问PSTATE寄存器中的SP字段，用于ELx异常等级（不包括EL0）选择SP寄存器，可以是SP_EL0或SP_ELx。

当PSTATE.SPSel = 0时，CPU使用SP_EL0作为当前任务的堆栈寄存器；反之则使用与异常等级对应的SP寄存器。

DAIF寄存器

DAIF寄存器用于访问PSTATE寄存器中的{D, A, I, F}字段，用于异常、中断以及调试开关控制。

NZCV寄存器

NZCV寄存器用于访问PSTATE寄存器中的{N, Z, C, V}字段。

PAN寄存器

PAN寄存器用于访问PSTATE寄存器中的PAN（Privileged Access Never，特权禁止访问）字段。

UAO寄存器

UAO寄存器用于访问PSTATE寄存器中的UAO（User Access Override，用户访问覆盖）字段。

零寄存器

ARMv8架构提供两个零寄存器（zero register），这些寄存器的内容全是0，可以用作源寄存器，也可以用作目标寄存器。WZR寄存器是32位的零寄存器，XZR是64位的零寄存器。

系统寄存器

除了上面介绍的通用寄存器和特殊寄存器之外，ARMv8架构还定义了很多的系统寄存器，通过访问和设置这些系统寄存器来完成对处理器不同的功能配置。在ARMv7架构里，我们需要通过访问CP15协处理器来间接访问这些系统寄存器，而在ARMv8架构中没有协处理器，可直接访问系统寄存器。ARMv8架构支持如下7类系统寄存器：

• 通用系统控制寄存器
• 调试寄存器
• 性能监控寄存器
• 活动监控寄存器
• 统计扩展寄存器
• RAS寄存器
• 通用定时器寄存器

系统寄存器支持不同的异常等级的访问，通常系统寄存器会使用Reg_ELn的方式来表示：

• Reg_EL1：处理器处于EL1、EL2以及EL3时可以访问该寄存器。
• Reg_EL2：处理器处于EL2和EL3时可以访问该寄存器。

大部分系统寄存器不支持处理器处于EL0时访问，但也有一些例外，如CTR_EL0寄存器。

相关参考

• 《奔跑吧，Linux内核》
• 《ARM64体系结构编程与实践》
• PSTATE.SPSel, SP_EL0的实际使用