CPU架构 -- ARMv7与ARMv8协处理器比较

ARM v7 和 ARM v8 的协处理器比较

相同点

1. 功能扩展：

   • 两个架构中的协处理器都用于扩展处理器的功能，包括但不限于浮点运算、SIMD（Single Instruction Multiple Data）运算、系统控制寄存器访问等。

2. 协处理器接口指令：

   • ARM v7和ARM v8（AArch32状态下）都使用MCR（Move to Coprocessor from ARM Register）和MRC（Move to ARM Register from Coprocessor）指令与协处理器进行交互。

3. 寄存器访问：

   • 两个架构中，协处理器都通过寄存器访问来配置和控制系统功能。

差异点

架构模式

1. ARM v7：

   • 支持ARM和Thumb两种指令集模式，主要是32位指令集架构。
   • 主要协处理器有VFP（Vector Floating Point）、NEON（用于SIMD运算）和CP15（系统控制协处理器）。

2. ARM v8：

   • 支持AArch32和AArch64两种状态，可以执行32位和64位指令。
   • AArch64状态下，浮点和SIMD运算单元被合并为一个称为"Advanced SIMD"的单元，系统控制更多通过系统寄存器完成。

协处理器实现方式

1. ARM v7：

   • 通过协处理器寄存器（如CP15）进行系统控制。协处理器可以通过指令访问，如MCR和MRC。

2. ARM v8：

   • 在AArch64状态下，采用系统寄存器（System Register）的概念，部分协处理器功能被集成到这些系统寄存器中，简化了指令集。
   • 使用新的MSR（Move to System Register）和MRS（Move from System Register）指令来访问系统寄存器。

指令集差异

1. ARM v7：

   • 使用MCR和MRC指令与协处理器交互，寄存器访问复杂且指令较多。

2. ARM v8：

   • 在AArch64状态下，使用MSR和MRS指令简化系统寄存器访问，指令集更加优化和简洁。

示例对比

ARM v7 示例

与CP15协处理器交互的代码：

MCR p15, 0, r0, c1, c0, 0  // 将r0的值写入协处理器CP15的c1寄存器
MRC p15, 0, r0, c1, c0, 0  // 从协处理器CP15的c1寄存器读取值到r0

ARM v8 示例

在AArch64状态下使用系统寄存器的代码：

MSR SCTLR_EL1, x0  // 将x0的值写入SCTLR_EL1系统控制寄存器
MRS x0, SCTLR_EL1  // 从SCTLR_EL1系统控制寄存器读取值到x0

协处理器功能的详细差异

1. 浮点和SIMD运算单元：

   • ARM v7：VFP和NEON是独立的协处理器单元，分别处理浮点和SIMD运算。
   • ARM v8：AArch64状态下，VFP和NEON合并为一个称为"Advanced SIMD"的单元，简化了寄存器和指令操作。

2. 系统控制：

   • ARM v7：系统控制主要通过CP15协处理器完成，有多个寄存器组来配置系统行为。
   • ARM v8：系统控制主要通过系统寄存器（如SCTLR_EL1）完成，简化了寄存器的数量和访问方式。

具体的寄存器和功能差异

ARM v7 CP15寄存器

• SCTLR（System Control Register）：控制系统行为的主要寄存器。
• TTBR0/TTBR1（Translation Table Base Register 0/1）：用于存储页表基地址。
• DACR（Domain Access Control Register）：控制内存访问权限。

ARM v8 系统寄存器

• SCTLR_EL1：AArch64状态下的系统控制寄存器。
• TTBR0_EL1/TTBR1_EL1：AArch64状态下的页表基地址寄存器。
• DAIF（Debug, Asynchronous, IRQ, FIQ mask bits）：用于控制中断屏蔽。

总结

ARM v8在协处理器设计上做了许多改进，使得系统寄存器访问更为简洁和高效。通过合并浮点和SIMD单元以及优化系统控制寄存器，ARM v8不仅提高了性能，还简化了编程模型，适应了64位计算的需求。这些改进为开发者提供了更强大的工具和更高效的工作流程。