1. ARMv8架构概述：从ARMv7到ARMv8的演进
各位好，我是老李。做嵌入式系统移植这行快十五年了，从ARMv4一直跟到现在的ARMv9。今天咱们聊聊ARMv8架构，这是ARM历史上一次翻天覆地的变化。说实话，当年我第一次看到ARMv8的手册时，心里也是一惊——这跟以前玩的ARMv7完全不是一个路子。
ARMv8不是简单的升级，它是一次架构重构。为什么这么说？因为ARMv8引入了64位指令集，同时保留了32位兼容能力。说白了，就是让你既能跑64位的Linux，也能跑老旧的32位RTOS。这种"双模"设计，在项目移植时既是福音也是坑。
1.1 从ARMv7到ARMv8：到底变了什么？
我习惯把ARMv7到ARMv8的变化归纳为三个核心点：
- 地址空间翻倍：从32位虚拟地址变成64位，理论上支持16EB地址空间。当然，实际芯片一般只实现48位或52位。
- 寄存器全面升级：通用寄存器从16个变成31个，每个都是64位宽。这个变化对编译器优化特别友好。
- 异常模型重构：引入了EL0-EL3四级异常等级，替代了ARMv7的七种处理器模式。
我在一个项目中遇到过这种情况：团队把Cortex-A9上的代码直接往Cortex-A53上搬，结果异常处理全崩了。为什么？因为ARMv7的IRQ/FIQ模式在ARMv8里根本不存在了。嗯，这里要注意，移植时千万别想当然。
核心认知：ARMv8不是ARMv7的补丁，它是重新设计的架构。64位执行状态AArch64和32位执行状态AArch32，两者在指令编码、寄存器模型、异常处理上完全不同。
1.2 AArch64与AArch32：两种执行状态
ARMv8最巧妙的设计就是支持两种执行状态。你想想看，一个芯片既能跑64位Linux，又能跑32位的老系统，这对产品迭代多友好。
| 特性 | AArch64 | AArch32 |
|---|---|---|
| 指令集 | A64（固定32位指令） | A32/T32（ARM/Thumb） |
| 通用寄存器 | 31个64位（X0-X30） | 16个32位（R0-R15） |
| 虚拟地址 | 48位或52位 | 32位 |
| 异常等级 | EL0-EL3 | EL0-EL3（但EL3可选） |
| 兼容性 | 全新设计 | 向后兼容ARMv7 |
我个人习惯在项目开始时先确定：目标系统跑在哪个执行状态？如果是纯64位环境，那就用AArch64，性能最好。如果必须兼容老驱动或老应用，那就得考虑AArch32。但要注意，AArch32在ARMv8里只是"兼容模式"，不是原生32位，有些细节不一样。
实战技巧：在U-Boot或ATF启动时，可以通过SCR_EL3.RW位控制切换执行状态。0表示EL3以下都是AArch32，1表示EL3以下都是AArch64。这个位一旦设定，整个系统就定死了，不能动态切换。
1.3 异常等级模型（EL0-EL3）
ARMv8的异常等级模型，说白了就是把系统分成四个权限层。我刚开始学的时候觉得这玩意儿挺绕，后来做安全启动项目时才真正理解它的价值。
这张图我画了很多遍，每次给团队新人讲都从这张图开始。四个等级各司其职：
- EL3：最高权限，运行安全监控器（如ARM Trusted Firmware）。负责安全启动、电源管理、安全世界切换。
- EL2：虚拟化层，运行Hypervisor。如果你做虚拟化项目，这里就是主战场。
- EL1：操作系统内核。Linux内核就跑在这里，处理中断、内存管理、进程调度。
- EL0：用户应用程序。权限最低，不能直接访问硬件。
避坑指南：我曾经在一个安全启动项目中，把EL3的异常向量表地址配错了，结果系统一启动就跳转到随机地址。查了两天才发现是VBAR_EL3寄存器没初始化。记住：每个异常等级都有自己的向量表基址寄存器，必须单独配置。
1.4 寄存器模型变化
寄存器模型的变化，是移植时最需要关注的地方。ARMv7有16个通用寄存器（R0-R15），其中R13是栈指针、R14是链接寄存器、R15是程序计数器。到了ARMv8的AArch64，全变了。
我列个对比表，大家一目了然：
| 寄存器类型 | ARMv7（32位） | ARMv8 AArch64 |
|---|---|---|
| 通用寄存器 | R0-R15（16个32位） | X0-X30（31个64位） |
| 栈指针 | R13（SP） | SP_EL0 / SP_ELx（每个等级独立） |
| 链接寄存器 | R14（LR） | X30（LR） |
| 程序计数器 | R15（PC） | PC（不可直接访问） |
| 状态寄存器 | CPSR | SPSR_ELx / NZCV |
| 异常返回 | MOVS PC, LR | ERET指令 |
这里有个关键点：ARMv8的PC不能直接读写。你想想看，在ARMv7里我们经常用MOV PC, LR做函数返回，但在ARMv8里必须用RET指令。我见过有人移植汇编代码时直接复制粘贴，结果编译都过不了。
寄存器变化要点：
- X0-X7：参数传递和返回值（与ARMv7的R0-R3类似，但更多）
- X8：间接结果寄存器（用于系统调用）
- X9-X15：临时寄存器（调用者保存）
- X16-X17：IP0/IP1（过程内调用临时寄存器）
- X18：平台寄存器（OS保留）
- X19-X28：被调用者保存寄存器
- X29：帧指针（FP）
- X30：链接寄存器（LR）
另外，ARMv8还引入了系统寄存器的概念。以前ARMv7用协处理器CP15访问系统控制功能，现在全部改用MSR/MRS指令读写系统寄存器。比如：
/* ARMv7: 读SCTLR */
MRC p15, 0, r0, c1, c0, 0
/* ARMv8 AArch64: 读SCTLR_EL1 */
MRS x0, SCTLR_EL1这个变化对底层移植影响很大。我建议你在移植启动代码时，先把所有CP15访问全部替换成对应的系统寄存器访问。别偷懒，一个一个查手册确认。
个人习惯：我每次做新平台移植，都会先整理一份"寄存器映射表"，把ARMv7的CP15寄存器对应到ARMv8的系统寄存器。这样写代码时直接查表，不容易出错。
1.5 小结
ARMv8架构的变化，说白了就是三个核心：64位地址空间、两种执行状态、四级异常等级。寄存器模型的变化是这些核心的体现。做移植时，我建议你先搞清楚目标系统跑在哪个异常等级、用AArch64还是AArch32，然后再动手改代码。
嗯，这一章就到这里。记住：ARMv8不是ARMv7的简单升级，它是重新设计的架构。尊重差异，才能少踩坑。