今天來簡單研究一下Armv8-A的AArch64寄存器。

根據指令使用數據的方式, 指令系統可分為堆棧型、累加器型和寄存器型。寄存器型又可以進一步分為寄存器-寄存器型和寄存器-存儲器型。

• 堆棧型。堆棧型指令又稱零地址指令, 其操作數都在棧頂, 在運算指令中不需要指定操作數, 默認對棧頂數據進行運算并將結果壓回棧頂。
• 累加器型。累加器型指令又稱單地址指令, 包含一個隱含操作數——累加器, 另一個操作數在指令中指定, 結果寫回累加器中。
• 寄存器-存儲器型。在這種類型的指令系統中, 每個操作數都由指令顯式指定, 操作數為寄存器和內存單元。
• 寄存器-寄存器型。在這種類型的指令系統中, 每個操作數也由指令顯式指定, 但除了訪存指令外的其他指令的操作數都只能是寄存器。

寄存器-寄存器型指令系統中，運算指令的操作數只能來自寄存器, 不能來自存儲器, 所有的訪存都必須顯式的通過load和store指令來完成, 所以寄存器-寄存器型又被稱為load-store型。使用寄存器的優勢在于, 寄存器的訪問速度快, 便于編譯器的調度優化, 并可以充分利用局部性原理, 大量的操作可以在寄存器中完成。此外, 寄存器-寄存器型的另一個優勢是寄存器之間的相關性容易判斷, 容易實現流水線、多發射和亂序執行等方法。當今的指令系統主要是寄存器-寄存器型。（以上內容摘自《計算機體系結構基礎》）

說了這么多，就是想強調一下在Armv8-A中寄存器的重要性。

在AArch64應用級角度，一個PE（Process Element）具有下列寄存器：

31個通用寄存器， R0 - R30，其中64-bit的寄存器命名為X0 – X30，而32位的寄存器命名為W0 -W30。

零寄存器XZR（64-bit）和WZR（32-bit）。

一個64-bit的堆棧指針（Stack Pointer）寄存器，堆棧指針的最低有效32位可以使用寄存器WSP訪問。

一個64-bit的程序計數器（Program Counter），用于保存當前指令地址。軟件無法直接寫入PC。

32個SIMD（Single Instruction Multiple Data）&FP（Float Point）寄存器，V0 – V31。其中，128-bit的寄存器命名為Q0 -Q31；64-bit的命名為D0 – D31；32-bit的命名為S0 – S31；16-bit的命名為H0 -H31；8-bit的命名為B0 – B31。

一個64-bit的SIMD&FP控制寄存器FPCR。

一個64-bit的SIMD&FP狀態寄存器FPSR。

三十二個可擴展向量寄存器（Scalable Vector registers），Z0 – Z31，寄存器寬度取決于具體實現，在128-1024 bit之間。

十六個可擴展斷言寄存器（Scalable Predicate registers），P0 - P15。

一個專用SVE第一故障寄存器FFR（First Fault Register）。

一個處理器狀態寄存器PSTATE，它是處理器狀態信息的集合，包括條件標記寄存器NZCV，異常屏蔽寄存器DAIF，SP選擇寄存器SPSEL、異常等級寄存器CurrentEL等。下圖是PSTATE的字段定義。

在AArch64下，PSTATE字段使用以下專用（Special-Purpose）寄存器訪問，通過MRS指令直接讀取，通過MSR指令直接寫入。

NZCV寄存器比較簡單，如下圖。N是負數條件標志位，如果最后一個標志設置指令的結果為負，則N=1；Z是0條件標志位，如果最后一個標志設置指令的結果為零，則Z=1，否則Z=0；C是進位條件標志位，如果最后一個標志設置指令導致進位情況發生，則C=1；V是溢出條件標志位，如果最后一個標志設置指令導致溢出情況發生，則V=1。其它位是保留位。

D是處理器狀態調試屏蔽位；A是系統錯誤（SError）中斷屏蔽位；I是IRQ屏蔽位；F是FIQ屏蔽位。其它位是保留位。

CurrentEL是當前異常等級寄存器，

SPSel（Stack Pointer Select）是堆棧指針選擇寄存器，如下圖，只有一個有效位。0b0表示在所有異常級別使用SP_EL0；0b1表示在異常級別ELx使用SP_ELx。

PAN（Privileged Access Never）是特權訪問禁止寄存器。0b0表示特權讀寫不被此機制禁用；0b1表示禁用對EL0級別可訪問地址的特權讀寫訪問。

UAO（User Access Override）是用戶訪問覆蓋寄存器。

DIT（Data Independent Timing）是數據獨立時序寄存器。0b0表示該架構沒有說明任何指令的時序屬性。

SSBS是Speculative Store Bypass Safe（翻譯不出來了）。0b0表示不允許硬件進行推測性load/store。

TCO（Tag Check Override）是標記檢查覆蓋寄存器。改為表示是否允許全局禁用內存標記檢查。0b0表示load/store不受影響；0b1表示load/store不被檢查。

ALLINT（All Interrupt Mask Bit）是全部中斷屏蔽寄存器。

AArch64的專用寄存器除了上述，還有很多其它的。

此外，AArch64中還有大量的系統寄存器（System Registers）。系統寄存器為執行控制、狀態和一般系統配置提供支持。大多數系統寄存器在EL0異常等級時不可訪問。然而，一些系統寄存器可以配置為允許執行在EL0等級的軟件進行訪問。可以從EL0訪問的寄存器包括：

• Cache ID registers
• Debug registers
• Performance Monitors registers
• Activity Monitors registers
• Thread ID registers
• Timer registers

前面講GIC的時候提到過，ARM把一些中斷相關的寄存器從GIC中剝離出來，放到了CPU interface中。在GICv2時，這些寄存器可以設計成系統寄存器，也可以設計成尋址訪問的寄存器，但是到了GICv3，要求這些寄存器必須是系統寄存器。

對于系統寄存器的訪問，也是通過MSR和MRS指令。

本次介紹的寄存器只是AArch64中全部寄存器的冰山一角，實際的寄存器遠遠多于今天提到的這些。ARM專門提供了一篇描述Armv8-A寄存器的文檔，有四千多頁。