ARM 64bit 和 32bit 不同模式下的寄存器资源对比

在 ARM 架构中，无论是 32 位还是 64 位模式下，都有不同的处理器模式和相应的寄存器资源。这些模式决定了当前执行环境的特权级别以及可用的寄存器集合。以下是 ARM 在 64 位（AArch64）和 32 位（AArch32）架构下的不同模式及其对应的寄存器资源概述。

AArch64 (ARM 64-bit)

AArch64 模式下，ARM 架构定义了若干个异常级别（Exception Levels），每个级别对应不同的特权等级。AArch64 主要有以下几种模式：

• EL0：用户模式。
• EL1：操作系统内核模式。
• EL2：虚拟化支持，用于管理程序（Hypervisor）。
• EL3：最高安全级别，用于安全监控代码（如 TrustZone 的 Secure Monitor）。

寄存器资源

• 通用寄存器：

  • 31 个 64 位通用寄存器 (X0-X30)，其中 X30 通常用作链接寄存器（LR）。
  • 可以访问低 32 位作为独立的 32 位寄存器 (W0-W30)。

• 堆栈指针 (SP)：

  • 每个异常级别有自己的专用堆栈指针（SP_EL0, SP_EL1, SP_EL2, SP_EL3），但 EL0 不使用 SP_EL0，而是与 EL1 共享一个 SP。

• 程序计数器 (PC)：

  • 不直接可访问，通过分支指令隐式修改。

• 当前程序状态寄存器 (PSTATE)：

  • 包含当前处理器的状态信息，如条件标志、中断屏蔽等，取代了传统的 CPSR 和 SPSR。

• 异常链接寄存器 (ELR)：

  • 每个异常级别有一个 ELR，保存发生异常时的返回地址。

• 保存程序状态寄存器 (SPSR)：

  • 每个异常级别有一个 SPSR，用于保存发生异常前的状态。

AArch32 (ARM 32-bit)

AArch32 模式下，ARM 定义了多种处理器模式，每种模式都有其特定的角色和可用寄存器集。主要模式包括：

• User (usr)：普通应用程序执行模式。
• FIQ (fiq)：快速中断请求模式。
• IRQ (irq)：标准中断请求模式。
• Supervisor (svc)：操作系统保护模式。
• Monitor (mon)：安全监控模式（TrustZone）。
• Abort (abt)：数据或预取中止处理模式。
• Undefined (und)：未定义指令处理模式。
• System (sys)：系统管理模式，具有与 User 模式相同的寄存器访问权限但拥有更高的特权。

寄存器资源

• 通用寄存器：

  • 15 个 32 位通用寄存器 (R0-R12)。
  • R13 常用作堆栈指针 (SP)。
  • R14 为链接寄存器 (LR)，用于存储函数调用的返回地址。
  • R15 是程序计数器 (PC)。

• 堆栈指针 (SP)：

  • 每个模式可以有自己独立的堆栈指针（SP_usr, SP_fiq, SP_irq, SP_svc, SP_abt, SP_und, SP_mon, SP_hyp）。

• 当前程序状态寄存器 (CPSR)：

  • 包含当前处理器的状态信息，如条件码标志、中断禁用标志等。

• 保存程序状态寄存器 (SPSR)：

  • 每个非用户模式都有自己的 SPSR 来保存进入该模式之前的 CPSR 状态。

• 特殊功能寄存器：

  • 如 SCTLR, TTBR0, TTBR1 等，用于控制内存管理单元 (MMU) 等硬件特性。

总结

• AArch64 引入了更简洁的寄存器命名规则和组织方式，强调了对异常级别的支持，并且不再依赖于传统的模式切换概念。
• AArch32 则保留了传统的多模式结构，提供了针对不同场景优化的寄存器分配策略，并通过 CPSR 和 SPSR 实现状态管理和保护。

这两种架构模式的选择取决于具体的应用需求、性能考虑以及兼容性要求。对于新的开发项目，尤其是在需要利用更大地址空间和支持现代安全特性的场合下，往往会优先选择 AArch64。而对于需要向后兼容旧版软件或硬件平台的情况，则可能仍然需要支持 AArch32。