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## Raspberry Pi 简介
本实验的目标是将 Rust OS 移植到 Raspberry Pi 3 Model B+ 上。Raspberry Pi 3B+ 的 主要硬件参数如下：
本实验的目标是将 RustOS 移植到 Raspberry Pi 3 Model B+ 上。其 主要硬件参数如下：
| Raspberry Pi 3B+ | |
|-------|---------|
| 指令集 | ARMv8-A 64 bit |
| 指令集 | ARMv8-A 32/ 64 bit |
| 片上系统(SoC) | Broadcom BCM2837B0 |
| 处理器(CPU) | 4 x Cortex-A53 1.4Ghz
| 处理器(CPU) | 4 x Cortex-A53 1.4Ghz |
| 图形处理器(GPU) | Broadcom VideoCore IV |
| 内存 | 1GB (与 GPU 共享) |
## AArch64 简介
## ARMv8 架构简介
### 运行状态
根据寄存器位数的不同， **AArch64** 与 **AArch32** 。两种运行状态使用的指令集也不相同。RustOS 实现的是 AArch64。
### 异常级别
在 AArch64 下，可在 4 个**异常级别**(Exception level)中运行，分别为：
* EL0: Normal user applications.
* EL1: Operating system kernel typically described as *privileged* .
* EL2: Hypervisor.
* EL3: Secure monitor.
级别越高，特权(privilege)越高。一般称 EL0 为非特权级(unprivileged)，其他的为特权级(unprivileged)。
### 寄存器
#### 通用寄存器
AArch64 有 31 个 64 位**通用寄存器**(General-purpose registers) `X0~X30` ，每个 64 位寄存器都有一个 32 位的版本 `W0~W30` 。寄存器的使用规范一般如下：
* 参数寄存器 (Argument registers, `X0~X7` )：作为函数调用时的参数，返回值保存在 `X0` ；
* 调用者保存寄存器(Caller-saved temporary registers, `X9~X15` )：在函数调用前，如果调用者需要保护这些寄存器中的值直到函数调用之后，则调用者需要将它们保存到当前栈帧上，而被调用者可直接使用而不必保存与恢复；
* 被调用者保存寄存器(Callee-saved registers, `X19~X29` )：在函数调用中，如果该函数需要修改这些寄存器，则需要在函数开始执行前将它们保存到当前栈帧上，并在返回时恢复它们。
* 帧指针寄存器(Frame point register, `FP` 或 `X29` )：用于保存当前函数的栈帧指针；
* 链接寄存器(Link register, `LR` 或 `X30` )：用于保存函数返回的地址，执行 `ret` 指令会跳转到 `LR` 。
#### 特殊寄存器
AArch64 有下列**特殊寄存器**(Special-purpose registers)：
* 零寄存器(Zero register, ZR)：被映射为立即数 0， `WZR/XZR` 访问 32/64 位版本；
* 程序计数器(Program counter, `PC` )： ，
* 栈指针(Stack pointer, `SP` )： ， `SP_EL0` 、`SP_EL1`、`SP_EL2`、`SP_EL3`，直接访问 `SP` 时会根据当前异常级别自动选择对应的(如果 `SPSel = 0` ，则在任何异常级别下都使用 `SP_EL0` )；
* 异常链接寄存器(Exception Link Register, ELR)：用于保存异常返回的地址，在异常级别 1~3 下分别为 `ELR_ELx` ，执行 `eret` 指令进行异常返回时会根据当前异常级别跳转到相应的 ELR；
* 保存的进程状态寄存器(Saved Process Status Register, SPSR)：用于保存异常发生时的进程状态(PSTATE)，在异常级别 1~3 下分别为 `SPSR_ELx` 。执行 `eret` 指令进行异常返回时会根据当前异常级别，从相应的 SPSR 恢复进程状态。
#### 进程状态
**进程状态**(Process state, PSTATE)是当前进程状态信息的抽象。AArch64 提供了一系列特殊寄存器来独立访问 PSTATE 中的每个字段，常用的几个如下(完整的字段描述参见 ARMv8 Reference Manual D1.7 节)：
* 条件标志位(Condition flags, `NZCV` )：
+ `N` : Negative Condition flag
+ `Z` : Zero Condition flag
+ `C` : Carry Condition flag
+ `V` : oVerflow Condition flag
* 异常屏蔽位(exception masking bits, `DAIF` )：
+ `D` : Debug exception mask bit
+ `A` : SError interrupt mask bit
+ `I` : IRQ interrupt mask bit
+ `F` : FIQ interrupt mask bit
* 当前异常级别(Current Exception level, `CurrentEL` )：获取当前的异常级别；
* 栈指针选择(Stack Pointer Select, `SPSel` )：如果为 1， `SP_ELx` 作为 `SP` ，否则任何时候都使用 `SP_EL0` 作为 `SP` 。
当异常发生时，当前的 PSTATE 会根据进入哪个异常级别保存到相应的 `SPSR_ELx` 中。
#### 系统寄存器
可以通过**系统寄存器**(System registers)来进行 AArch64 的系统配置。一般每种系统寄存器在不同异常级别下都有相应的版本，用后缀 `_ELx` 表示。下表列出了常用的几个系统寄存器(全部系统寄存器参见 ARMv8 Reference Manual D12.1 节)：
| 系统寄存器_ELx | 名称 | 描述 |
|------------------|-----------------------------------------|------------------------------|
| CTR | Cache Type Register | 获取 cache 信息 |
| ESR | Exception Syndrome Register | 保存发生异常的原因 |
| FAR | Fault Address Register | 保存发生访存错误的虚拟地址 |
| HCR | Hypervisor Configuration Register | 配置 EL2 下的虚拟化 |
| MAIR | Memory Attribute Indirection Register | 配置内存属性 |
| MPIDR | Multiprocessor Affinity Register | 多核系统中核的编号 |
| SCTLR | System Control Register | 提供对内存系统等系统配置 |
| TCR | Translation Control Register | 配置地址翻译系统的参数 |
| TTBR0/TTBR1 | Translation Table Base Register | 设置翻译表(页表)基址 |
| VBAR | Vector Based Address Register | 设置异常向量基址 |
对系统寄存器(包括部分特殊寄存器)的访问需要使用 `mrs` 与 `msr` 指令：
* 读：
```armasm
mrs x0, TTBR0_EL1
```
* 写：
```armasm
msr TTBR0_EL1, x0
```
crate [aarch64 ](https://github.com/equation314/aarch64 ) 的 [regs ](https://github.com/equation314/aarch64/tree/master/src/regs ) 模块封装了对部分系统寄存器的访问。
#### SIMD/FP 寄存器
共有 32 个最高为 128 位的 **SIMD/floating-point 寄存器** ，可分别通过 `Q0~Q31` 、`D0~D31`、`S0~S31`、`H0~H31`、`B0~B31` 访问其 128、64、32、16、8 位版本。
使用这些寄存器需要 NEON 技术的支持。为了方便，在 RustOS 中禁用了 NEON (Cargo features `+a53,+strict-align,-neon` )，这样在处理异常时无需保存这些寄存器。
## 官方文档
equation314
6 years ago
