1. ARMv8架构概述：AArch64与AArch32执行状态、异常等级（EL0-EL3）定义、安全世界与非安全世界
各位同学，咱们今天正式开讲ARMv8。说实话，ARMv8是个分水岭。在这之前，ARM处理器一直是32位的天下；从v8开始，64位计算被正式引入。但ARM没有像x86那样直接砍掉32位兼容，而是搞了一套双执行状态的设计——AArch64和AArch32。我个人觉得，这个设计既保留了生态兼容性，又给未来性能扩展留足了空间。
1.1 AArch64与AArch32：两种执行状态
ARMv8架构最核心的变化，就是引入了AArch64执行状态。你可以把它理解为处理器的“64位模式”。在这个模式下，寄存器是64位的，指令集是全新的A64，地址空间也扩展到了48位（物理地址甚至能到52位）。
而AArch32，说白了就是兼容老ARM代码的模式。它支持现有的ARMv7指令集（A32和T32），寄存器还是32位的。嗯，这里要注意：AArch32并不是简单的“向下兼容”，它其实是ARMv8硬件上重新实现的32位执行环境，性能并不差。
关键区别一览：
| 特性 | AArch64 | AArch32 |
|---|---|---|
| 寄存器宽度 | 64位通用寄存器（X0-X30） | 32位通用寄存器（R0-R14） |
| 指令集 | A64（固定32位指令） | A32（32位）/ T32（16/32位混合） |
| 地址空间 | 最大48位虚拟地址 | 最大32位虚拟地址 |
| 异常等级 | EL0-EL3完整支持 | EL0-EL3（但PL0-PL2映射） |
| 浮点/SIMD | 默认支持（32×128位寄存器） | 可选支持（VFP/NEON） |
我在项目中遇到过一种情况：有些老驱动只编译了A32指令集，移植到新平台时发现跑不起来。后来查了半天，原来是启动时CPU默认进入AArch64，需要先切到AArch32才能执行这些代码。所以，两种状态之间的切换，是底层开发必须掌握的技能。
1.2 异常等级（EL0-EL3）：ARMv8的权限分层
ARMv8引入了一个非常清晰的特权模型——异常等级（Exception Level）。你想想看，从EL0到EL3，数字越大，权限越高。这个设计比ARMv7的PL0-PL2要直观得多。
- EL0：用户态。跑应用程序的地方，权限最低。不能直接操作硬件，不能配置MMU，连关中断都不行。
- EL1：操作系统内核态。Linux内核、RTOS内核都跑在这里。可以配置MMU、处理中断、管理进程。
- EL2：虚拟机监视器（Hypervisor）。虚拟化场景下，Host VM跑在这里。可以截获Guest OS的敏感操作。
- EL3：安全监视器（Secure Monitor）。最高权限，负责安全世界与非安全世界的切换。ARM TrustZone的核心就在这里。
我的经验：调试异常等级相关的问题时，我建议你先确认当前CPU在哪个EL下运行。用MRS X0, CurrentEL指令读一下，返回值低两位就是EL编号。我曾经被一个EL2下的虚拟化中断搞了三天，最后发现是EL2的异常向量表配错了。
异常等级之间通过异常（Exception）来切换。比如，用户程序执行了SVC指令，就会触发一个同步异常，CPU从EL0跳到EL1。再比如，外设中断来了，如果当前在EL1，中断会直接由EL1的异常向量表处理。如果当前在EL0，则会先升到EL1再处理。
注意：异常等级只能升高，不能降低。降低等级必须通过异常返回（ERET）指令。而且ERET的目标等级由SPSR_ELx中的M字段决定。我曾经见过有人把SPSR写错了，ERET之后CPU直接跑飞——那个bug查得我头皮发麻。
1.3 安全世界与非安全世界：TrustZone的根基
ARMv8延续了ARMv7时代的TrustZone技术，但做了重要升级。在ARMv8中，安全世界（Secure World）和非安全世界（Non-secure World）是两个独立的执行环境，它们共享物理CPU，但拥有各自的内存、外设和异常向量表。
你想想看，这就像同一台物理机器上跑了两套系统：一套是“普通系统”（比如Android/Linux），另一套是“安全系统”（比如TEE OS）。普通系统永远无法访问安全系统的内存，即使它跑在EL3也不行——因为EL3本身就有安全和非安全两种状态。
具体来说，安全世界和非安全世界的划分是这样的：
- 非安全世界（Normal World）：运行普通操作系统和应用程序。所有EL0-EL2都在非安全世界。
- 安全世界（Secure World）：运行安全操作系统（如OP-TEE、Trusty）。安全世界有自己的EL0-EL3，但通常只用到EL0和EL1。
- EL3：唯一横跨两个世界的异常等级。安全监视器（Secure Monitor）运行在这里，负责两个世界之间的切换。
世界切换流程（简化版）：
- 非安全世界的EL1执行
SMC指令（安全监视器调用）。 - CPU陷入EL3，安全监视器保存非安全世界上下文。
- 安全监视器切换到安全世界，恢复安全世界上下文。
- 安全世界的EL1开始执行安全服务。
- 安全服务完成后，执行
SMC返回EL3。 - 安全监视器恢复非安全世界上下文，ERET回到非安全世界。
我在项目中遇到过一个问题：安全世界的定时器中断没有正确路由到EL3，导致安全服务超时。后来发现是GIC（通用中断控制器）的配置问题——安全中断必须配置为Group 0，并且路由到EL3。这个坑，我建议你们提前记住。
1.4 整体架构关系图
下面这张图，是我自己画的一个ARMv8架构概览。它把执行状态、异常等级、安全世界的关系串在了一起。你仔细看看，应该能对ARMv8的整体结构有个直观印象。
1.5 本章小结
好了，咱们把ARMv8架构的三大核心概念捋了一遍：
- AArch64 vs AArch32：64位和32位两种执行状态，寄存器宽度、指令集、地址空间都不一样。切换时要小心上下文保存。
- EL0-EL3：四个异常等级，从用户态到安全监视器，权限逐级递增。异常只能升不能降，ERET是唯一的降级手段。
- 安全世界 vs 非安全世界：TrustZone的两个世界，通过EL3的SMC指令切换。安全世界的内存对外部完全隔离。
这些概念，是后续所有异常处理、调试接口、故障定位的基础。你如果现在觉得有点绕，没关系——后面每一章都会反复用到这些知识。我个人建议你把这张架构图存下来，调试的时候对照着看，会清晰很多。