ARMv8 与 ARMv7 相比的改动

• 指令集： 新增 A64 指令集， 但也兼容原来的 A32 指令集
• 权限等级： AArch64 下新增 EL0-EL3 异常等级，对应 V7 的特权等级
• 通用寄存器：31 个通用寄存器，V7 15 个
• 虚拟地址长度：64 位的地址长度，理论支持 256TB 的寻址范围

关于 Spsel 寄存器的使用

linux 内核里，内核（EL1）和用户态（EL0）都使用各自的栈空间，即 spsel 始终为 1。 这种情况下，当内核里时，sp_el0 是可以复用的寄存器。进入内核前保存原值，然后将其保存当前进程 task_strcut 结构体的地址。因为内核中经常会调用 current 宏，这时可以快很多。

atf 中，在 EL3 用 sp_el0 作为运行时栈空间，而 sp_el3 保存一个重要结构上下文的地址。在进入 EL3 时，系统会自动切换到 spsel=1，即 sp_el3，此时 （1）保存当前的上下文到 sp_el3 （2）切换到 sp_el0 当作 c 调用栈 看起来好像是反过来，我能想到的原因是：

• ATF 在 ELF 如果用 sp_el0 指向结构体，在外面有可能被破坏？而用 sp_el3 在外面不会被动

https://developer.arm.com/documentation/ka005621/latest/

关于 PMU

PMU 是一个独立的单元，不和体系结构绑定。而是每个 SOC 都可以不同。比如说 Cortex-A53 实现了 PMUv3 架构，但别的基于 ARMv8 架构的 Soc 可能实现 PMUv4 或者其他版本。

PMU 内部有六个计数器，所以可以记录六个事件的发生次数。计数器的数值不一定绝对的正确，因为管道的存在，所以一般来说还是通过长时间计数来减弱影响。

PMU 和 ETM 的区别

记录的事件不同

• PMU：Cache Miss、分支预测失败、TLB Miss 等
• ETM：记录分支指令、内存屏障指令等所有指令的执行，包括地址、结果等。 另外还可以记录数据读写的地址、结果（可选）。

记录的粒度不同

• PMU：仅用计数器来记录事件发生的次数
• ETM：指令的类型、地址、执行结果等。数据访问也类似。

所以说，ETM 的信息量大，需要专门的缓存机制。而 PMU 只需在定时器结束时记录发生的次数就行， 不需要什么缓存，没有实际的数据流。

通用寄存器

1. x0-x7 参数寄存器: Restore function parameters and return vaule.
2. x9-x15 caller-saved 临时寄存器: callee 默认可以直接使用来保存临时变量, 不需要保存和恢复. 如果 caller 在里面存储了非临时信息, 那么在函数调用之前应当由 caller 负责保存.
3. x19-x28 callee-saved 寄存器: callee 应该避免使用. 如果必须要使用，那么在返回前必须恢复.
4. 特殊寄存器:
   • x8 restore indirect result. Commonly used when returning a struct.
   • x18 platform reserved register.
   • x29 frame pointer register(FP).
   • x30 link register(LR).

All general-purpose register xN is 64-bit width. They all have corresponding wN register using the lower 32-bit of xN. And write to wN will clear the upper 32bit of xN.

异常返回指令（ARM32/64）

当异常处理程序结束后，需要执行异常返回指令恢复进入异常之前的状态。具体来说:

1. 恢复发生异常前的 PC
2. 从 SPSR 中恢复 PSTATE 寄存器(现场)

异常返回的指令根据当前执行状态为 AArch32 还是 AArch64 有所不同.

AArch32

AArch32 的异常返回指令在不同的模式下也有所不同:

• 若异常是在 Hyp 模式下处理: 仅可执行ERET指令从异常返回.

• 若异常是在其他模式下处理, AArch32 提供了以下的异常返回指令:

  • ERET 指令
  • 使用带 S 后缀的数据处理指令直接操作 PC(例如, MOVS, PC, LR), 恢复 PSTATE
  • RFE 指令: RFE <Rn>. 从基址寄存器指向的地址依次加载 PC 和 PSTATE
  • LDM 指令: LDM <Rn> {pc..}. 若目标寄存器中包含 PC, 则会同时恢复 PSTATE

AArch64

AArch64 下统一使用 ERET 指令进行异常返回.

指令格式及用法

ERET

ERET 指令自动完成:

1. 从 ELR_ELx 中恢复 PC 指针
2. 从 SPSR_ELx 中恢复 PSTATE 寄存器的状态.

LDM(Load Multiple)

• 格式: LDM <Rn> {registers}
• 含义: 从基址寄存器<Rn>指向的地址开始依次加载多个寄存器值. 若目标寄存器中包含 PC, 则同时恢复 PSTATE.

例如: LDM <r0> {pc, r1} 等价于:

pc = [r0]
r1 = [r0+4]
PSTATE = SPSR  ;仅当目标寄存器包含PC时自动完成

RFE(Return From Exception)

• 格式: LDM <Rn>
• 含义: 从基址寄存器<Rn>指向的地址依次加载 PC 和 PSTATE.

例如: RFE <r0> 等价于:

pc = [r0]
PSTATE = [r0+4]

Armv8.2 SPE

SPE 的全称为 Statistical Profiling Extension, 统计分析扩展， 是 Armv8.2 引入的一个特性。

PMU 能统计事件发生的次数，但是无法直到是哪一条指令导致的。 采样因为要通过中断的方式，所以准确性不高，太高的准确率会造成系统很大的负担。 因此开发者一般只能确定是哪一个函数，但是确定哪一行就比较困难。

SPE 就是通过硬件的方式解决这个问题，直接在流水线上对指令进行采样。 用硬件对性能的损耗就会很低。

有个计数器，没取指一次，计数器-1，减到 0 之后的指令就是要采样的指令。

采集的指令非常全面：时间戳、PC、指令的分类、运行的时间等。

采集之后，可以做一次过滤，只保存关心的事件（执行时间大于几个 Cycle？指令类型 lr/str？）

保存的 buffer 满了之后，触发中断，软件读取。

借助 perf 使用 SPE

• FEAT_SPE Armv8.2 Support from 4.14 and 5.3
• FEAT_SPEv1p1 Armv8.5 Only support from 5.11

perf list | grep arm_spe_0

perf record -e arm_spe_0/branch_filter=1,ts_enable=1,pct_enable=1,pa_enable=1,\
load_filter=1,jitter=1,store_filter=1,min_latency=0/ -- ./user.app

perf report -D -i perf.data

• Arm 架构下性能分析与优化介绍-云视频-阿里云开发者社区