AArch64

ARM AArch64 (64ビット)
紹介された2011 （2011年）
バージョンARMv8-A、 ARMv8-R、 ARMv9-A
エンコーディングAArch64/A64とAArch32 /A32は32ビット命令を使用し、AArch32/T32（Thumb-2）は16ビットと32ビットの命令を混合して使用する[ 1 ]
エンディアンデータのみのBi（デフォルトは少ない、指示も少ない）
拡張機能
  • SVE、SVE2、SME、AES、SM3、SM4、SHA、CRC32、RNDR、TME
  • 必須: Thumb-2、Neon、VFPv4-D16、VFPv4
  • 廃止：Jazelle
レジスター
汎用31 × 64ビット整数レジスタ[ 1 ]
浮動小数点32 × 128ビットレジスタ[ 1 ]スカラー32ビットおよび64ビットFPまたはSIMD FPまたは整数、または暗号化用

AArch64 （ ARM64とも呼ばれる）は、広く使用されているコンピュータプロセッサ設計のセットであるARM アーキテクチャファミリの64 ビットバージョンです。2011 年にARMv8アーキテクチャとともに導入され、後にARMv9シリーズの一部となりました。AArch64 により、プロセッサは以前の32 ビットバージョンよりも多くのメモリを処理し、より高速な計算を実行できます。AArch32 と呼ばれる古い32ビットモードと並行して動作するように設計されており、幅広いソフトウェアとの互換性が可能です。AArch64 を使用するデバイスには、スマートフォン、タブレット、パーソナルコンピュータ、サーバーなどがあります。AArch64 アーキテクチャは、パフォーマンス、セキュリティ、高度なコンピューティングタスクのサポートを向上させるアップデートを通じて進化を続けています。[ 2 ]

AArch64 実行状態

ARMv8-A、ARMv8-R、およびARMv9-Aでは、「実行状態」によってプロセッサ環境の主要な特性が定義されます。これには、プライマリプロセッサレジスタで使用されるビット数、サポートされる命令セット、およびプロセッサ実行環境のその他の側面が含まれます。これらのバージョンのARMアーキテクチャは、64ビットのAArch64状態と32ビットのAArch32状態という2つの実行状態をサポートしています。[ 3 ]

命名規則

  • 64ビット:
    • 実行状態: AArch64
    • 命令セット: A64
  • 32ビット:
    • 実行状態: AArch32
    • 命令セット: A32 + T32
    • 例: ARMv8-R、Cortex-A32 [ 4 ]

AArch64の機能

  • 新しい命令セット、A64:
    • 31個の汎用64ビットレジスタを持つ
    • 専用のゼロまたはスタック ポインタ (SP) レジスタがあります (命令によって異なります)
    • プログラムカウンタ（PC）はレジスタとして直接アクセスできなくなりました
    • 命令は依然として 32 ビット長であり、A32 とほぼ同じです (LDM/STM 命令とほとんどの条件付き実行は削除されています)
    • ほとんどの命令は32ビットまたは64ビットの引数を取ることができる
    • アドレスは64ビットと想定される
  • 高度なSIMD（ネオン）強化：
    • 32 × 128ビットレジスタ（16から増加）があり、VFPv4経由でもアクセス可能
    • 倍精度浮動小数点形式をサポート
    • IEEE 754に完全準拠
    • AES暗号化/復号化およびSHA-1/SHA-2ハッシュ命令もこれらのレジスタを使用する。
  • 新しい例外システム:
    • バンクレジスタとモードの減少
  • 既存のLarge Physical Address Extension (LPAE)に基づく48ビット仮想アドレスからのメモリ変換。64ビットに簡単に拡張できるように設計されています。

拡張機能: データ収集ヒント (ARMv8.0-DGH)。

AArch64はARMv8-Aで導入され、ARMv8-Aの後継バージョンとARMv9-Aのすべてのバージョンに含まれています。また、ARMv8-Aでの導入後、オプションとしてARMv8-Rにも導入されましたが、ARMv8-Mには含まれていません。

A64命令フォーマット

A64 命令がどのグループに属するかを選択するためのメイン オペコードは、ビット 25 ～ 28 にあります。

A64命令フォーマット
タイプ 少し
313029282726252423222120191817161514131211109876543210
予約済み 0 オペレーション00000 オペレーション1
中小企業1 オペレーション00000 様々
未割り当て 0001
SVE0010 様々
未割り当て 0011
データ処理 — 即時 PC rel。 op私は10000こんにちは​道路
データ処理 — 直近の他者 平方フィート10001～11道路
分岐 + システム命令 op0101op1op2
ロード命令とストア命令 op01op10op2op3op4
データ処理 — 登録 平方フィートop0op1101op2op3
データ処理 — 浮動小数点とSIMD op0111op1op2op3

ARM-A（アプリケーションアーキテクチャ）

Cortex-A57 / A53 MPCore big.LITTLE CPUチップを搭載したArmv8-Aプラットフォーム

2011年10月に発表された[ 5 ] ARMv8-Aは、ARMアーキテクチャの根本的な変更を表しています。32ビット実行状態「AArch32」に加えて、「AArch64」と呼ばれるオプションの64ビット実行状態と、それに関連する新しい「A64」命令セットが追加され、32ビット「A32」（オリジナルの32ビットARM）と「T32」（Thumb/Thumb-2）命令セットがサポートされています。後者の命令セットは、既存の32ビットARMv7-Aアーキテクチャとのユーザー空間互換性を提供します。ARMv8-Aでは、32ビットアプリケーションを64ビットOSで実行し、32ビットOSを64ビットハイパーバイザーで制御することができます。[ 1 ] ARMは2012年10月30日にCortex-A53とCortex-A57コアを発表しました。 [ 6 ] Appleは消費者向け製品（iPhone 5S）でARMv8-A互換コア（ Cyclone ）をリリースした最初の企業です。FPGAを使用したAppliedMicroは、ARMv8-Aのデモを初めて行いました。[ 7 ] Samsungの最初のARMv8-A SoCは、 Galaxy Note 4で使用されているExynos 5433で、 big.LITTLE構成で4つのCortex-A57およびCortex-A53コアの2つのクラスターを備えていますが、AArch32モードでのみ動作します。[ 8 ] ARMv8-Aには、AArch32とAArch64の両方でVFPv3 / v4と高度なSIMD（Neon）が標準機能として含まれています。また、AES、SHA-1 / SHA-256、有限体演算をサポートする暗号化命令も追加されています。[ 9 ]

ARMv8-Aプロセッサは、AArch32とAArch64のいずれかまたは両方をサポートできます。低い例外レベルではAArch32とAArch64の両方をサポートし、高い例外レベルではAArch64のみをサポートします。[ 10 ]たとえば、ARM Cortex-A32はAArch32のみをサポートし、[ 11 ] ARM Cortex-A34はAArch64のみをサポートし、[ 12 ] ARM Cortex-A72はAArch64とAArch32の両方をサポートします。[ 13 ] ARMv9-Aプロセッサは、すべての例外レベルでAArch64をサポートする必要があり、EL0ではAArch32をサポートできます。[ 10 ]

ARMv8.1-A

2014年12月、ARMv8.1-A [ 14 ]が発表されました。これは「v8.0からの漸進的な改善」を伴うアップデートです。機能強化は、命令セットの変更と、例外モデルおよびメモリ変換の変更という2つのカテゴリに分類されます。

命令セットの機能強化には次のものが含まれます。

  • AArch64 アトミック読み取り/書き込み命令のセット。
  • AArch32 と AArch64 の両方の Advanced SIMD 命令セットに追加され、いくつかのライブラリ最適化の機会が有効になりました。
    • 符号付き飽和丸めを 2 倍にして乗算し、累積して、上位半分を返します。
    • 符号付き飽和丸め 2 倍乗算減算、上位半分を返す。
    • 命令はベクトル形式とスカラー形式で追加されます。
  • 構成可能なアドレス領域に制限されたメモリ アクセス順序を提供できる AArch64 ロードおよびストア命令のセット。
  • v8.0 のオプションの CRC 命令は、ARMv8.1 では必須になります。

例外モデルとメモリ変換システムの機能強化には次のものが含まれます。

  • 新しい Privileged Access Never (PAN) 状態ビットは、明示的に有効にしない限り、ユーザー データへの特権アクセスを防止する制御を提供します。
  • 仮想化のための VMID 範囲の拡大。より多くの仮想マシンをサポートします。
  • ページ テーブルアクセス フラグのハードウェア更新のオプション サポートと、オプションのハードウェア更新のダーティ ビット メカニズムの標準化。
  • 仮想化ホスト拡張機能（VHE）。これらの拡張機能は、ホストOSとゲストOS間の遷移に伴うソフトウェアオーバーヘッドを削減することで、タイプ2ハイパーバイザーのパフォーマンスを向上させます。これらの拡張機能により、ホストOSは大幅な変更を加えることなく、EL1ではなくEL2で実行できるようになります。[ 15 ]
  • OS がハードウェア サポートを必要としない場合に、オペレーティング システムで使用するために一部の変換テーブル ビットを解放するメカニズム。
  • メモリタグ付けの上位バイトは無視されます。[ 16 ]

ARMv8.2-A

ARMv8.2-Aは2016年1月に発表されました。[ 17 ]その機能強化は4つのカテゴリーに分類されます。

  • オプションの半精度浮動小数点データ処理 (半精度は既にサポートされていましたが、処理用ではなく、保存形式としてのみサポートされていました。)
  • メモリ モデルの強化。
  • 信頼性、可用性、保守性拡張(RAS 拡張)の導入。
  • 統計プロファイリングの導入。

スケーラブルベクトル拡張 (SVE)

スケーラブルベクター拡張（SVE）は、高性能コンピューティングの科学的ワークロードのベクトル化のために特別に開発された「ARMv8.2-Aアーキテクチャ以降のオプションの拡張機能」としてライセンスされています。[ 18 ] [ 19 ]この仕様により、ARMライセンシーは128の倍数で128〜2048ビットの間でハードコードされたアーキテクチャレジスタ幅を選択できます。この拡張機能はNEON拡張機能を補完するものであり、NEON拡張機能に取って代わるものではありません。

512ビットSVEバリアントは、富士通A64FX ARMプロセッサを使用した富岳スーパーコンピュータにすでに実装されており、このコンピュータ[ 20 ]は2020年6月[ 21 ]から2022年5月[ 22 ]までの2年間、世界最速のスーパーコンピュータでした。より柔軟なバージョンである2x256 SVEは、AWS Graviton3 ARMプロセッサによって実装されました。

SVEはGCCでサポートされており、GCC 8では自動ベクトル化[ 19 ]、GCC 10ではCの組み込み関数をサポートしています。2020年7月現在、LLVMとclangはCとIRの組み込み関数をサポートしています。ARM独自のLLVMフォークは自動ベクトル化をサポートしています。[ 23 ]

ARMv8.3-A

2016年10月にARMv8.3-Aが発表されました。その機能強化は6つのカテゴリーに分類されます。[ 24 ]

  • ポインタ認証（PAC）[ 25 ] [ 26 ]（AArch64のみ）；アーキテクチャへの必須拡張（新しいブロック暗号QARMA [ 27 ]に基づく） （コンパイラはセキュリティ機能を活用する必要があるが、命令はNOP空間にあるため、古いチップでは追加のセキュリティは提供されないものの、下位互換性がある）。
  • ネストされた仮想化 (AArch64 のみ)。
  • 高度な SIMD複素数サポート (AArch64 および AArch32)。例: 90 度の倍数による回転。
  • 新しいFJCVTZS（浮動小数点JavaScriptを符号付き固定小数点に変換し、ゼロに丸める）命令。[ 28 ]
  • C++11 / C11の (デフォルトではない) より弱い RCpc (リリース整合性プロセッサ整合性) モデルをサポートするために、メモリ整合性モデル (AArch64 のみ) が変更されました(デフォルトの C++11/C11 整合性モデルは、以前の ARMv8 で既にサポートされていました)。
  • より大きなシステム可視キャッシュ (AArch64 および AArch32) に対する ID メカニズムのサポート。

ARMv8.3-Aアーキテクチャは、少なくともGCC 7.0でサポートされるようになりました。[ 29 ]

ARMv8.4-A

2017年11月にARMv8.4-Aが発表されました。その機能強化は以下のカテゴリーに分類されます。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]

  • 「SHA3 / SHA512 / SM3 / SM4暗号拡張」、つまりオプションの指示。
  • 仮想化サポートの改善。[ 33 ]
  • メモリ パーティショニングおよびモニタリング (MPAM) 機能。
  • 新しいセキュア EL2 状態とアクティビティ モニター。
  • 符号付きおよび符号なし整数のドット積(SDOT および UDOT) 命令。

ARMv8.5-A および ARMv9.0-A

2018年9月にARMv8.5-Aが発表されました。その機能強化は以下のカテゴリーに分類されます。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]

  • メモリタグ付け拡張（MTE）（AArch64）。[ 37 ]
  • 分岐ターゲットインジケーター（BTI）（AArch64）は、「攻撃者が任意のコードを実行する能力」を低減します。ポインタ認証と同様に、関連する命令はARMv8-Aの以前のバージョンでは何も実行しません。
  • 乱数ジェネレータの指示 – 「さまざまな国内および国際標準に準拠した決定論的かつ真の乱数を提供します」。

2019年8月2日、GoogleはAndroidがメモリタグ付け拡張機能（MTE）を採用すると発表した。 [ 38 ]

2021年3月にARMv9-Aが発表されました。ARMv9-AのベースラインはARMv8.5のすべての機能です。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] ARMv9-Aでは以下の機能も追加されています。

ARMv8.6-A および ARMv9.1-A

2019年9月にARMv8.6-Aが発表されました。その機能強化は以下のカテゴリーに分類されます。[ 34 ] [ 47 ]

  • 一般行列乗算(GEMM)。
  • Bfloat16 形式のサポート。
  • SIMD 行列操作命令 (NEON に追加):
    • BFDOT* (BFloat16 ドット積)
    • BFMMLA (BFloat16 行列の乗算と累算)
    • BFMLAL* (BFloat16 の乗算と累算、long に拡張)
    • BFCVT* (BFloat16 変換)
  • 仮想化、システム管理、セキュリティの強化。
  • そして、以下の拡張機能（LLVM 11ではすでにサポートが追加されている[ 48 ]）：
    • 拡張カウンター仮想化 (ARMv8.6-ECV)。
    • 細粒度トラップ (ARMv8.6-FGT)。
    • アクティビティ モニターの仮想化 (ARMv8.6-AMU)。

例えば、細粒度トラップ、イベント待機（WFE）命令、EnhancedPAC2、FPACなどです。SVEとNeonのbfloat16拡張は主に深層学習で使用されます。[ 49 ]

ARMv8.7-A および ARMv9.2-A

2020年9月にARMv8.7-Aが発表されました。その機能強化は以下のカテゴリーに分類されます。[ 34 ] [ 50 ]

  • スケーラブルマトリックス拡張（SME）（ARMv9.2のみ）。[ 51 ] SMEは、次のようなマトリックスを効率的に処理するための新しい機能を追加します。
    • マトリックス タイル ストレージ。
    • オンザフライの行列転置。
    • タイル ベクトルを読み込み/保存/挿入/抽出します。
    • SVE ベクトルの行列外積。
    • 「ストリーミングモード」SVE。
  • PCIe ホット プラグ (AArch64) のサポートが強化されました。
  • アクセラレータ (AArch64) へのアトミックな 64 バイトのロードとストア。
  • タイムアウト付きの割り込み待機 (WFI) およびイベント待機 (WFE) (AArch64)。
  • 分岐レコード記録 (ARMv9.2 のみ)。
  • コールスタックレコーダー

ARMv8.8-A および ARMv9.3-A

2021年9月、ARMv8.8-AとARMv9.3-Aが発表されました。これらの機能強化は以下のカテゴリーに分類されます。[ 34 ] [ 52 ]

  • マスク不可能割り込み (AArch64)。
  • memcpy() および memset() スタイルの操作を最適化するための手順 (AArch64)。
  • PAC (AArch64) の機能強化。
  • ヒント付き条件分岐 (AArch64)。

LLVM 15はARMv8.8-AとARMv9.3-Aをサポートしています。[ 53 ]

ARMv8.9-A および ARMv9.4-A

2022年9月には、ARMv8.9-AとARMv9.4-Aが発表されました。[ 54 ]

  • 仮想メモリ システム アーキテクチャ (VMSA) の強化。
    • 権限の間接化とオーバーレイ。
    • 翻訳の強化。
    • 128 ビット変換テーブル (ARMv9 のみ)。
  • スケーラブル マトリックス拡張 2 (SME2) (ARMv9 のみ)。
    • マルチベクトル命令。
    • マルチベクトル述語。
    • 2b/4b ウェイト圧縮。
    • 1b バイナリ ネットワーク。
    • 範囲プリフェッチ。
  • ガード コントロール スタック (GCS) (ARMv9 のみ)。
  • 機密コンピューティング。
    • メモリ暗号化コンテキスト。
    • デバイスの割り当て。

ARMv9.5-A

2023年10月にARMv9.5-Aが発表され、以下の内容が含まれていました。[ 55 ]

  • FP8 サポート (E5M2 および E4M3 形式) が追加されました:
    • SME2
    • SVE2
    • 高度なSIMD（ネオン）
  • ハードウェアダーティステート追跡構造 (FEAT_HDBSS) を使用した仮想マシンのライブマイグレーション
  • チェックポイント演算
  • ポインタ認証コードを生成またはチェックするときに、PC と SP の組み合わせを修飾子として使用することをサポートします。
  • Realm Management Extension (RME) 対応設計のサポート、Granule Protection Tables での非セキュアのみのサポート、および特定の物理アドレス空間 (PAS) を無効にする機能。
  • EL3 構成書き込みトラップ。
  • リンクを必要とせずにアドレス範囲と不一致をトリガーするためのブレークポイントのサポート。
  • EL3 から EL2 または EL1 に SError を効率的に委任するためのサポート。

ARMv9.6-A

2024年10月にARMv9.6-Aが発表され、以下の内容が含まれていました。[ 56 ]

  • 構造化されたスパース性とクォータータイル操作による SME 効率の向上
  • マルチチップレットおよびマルチチップシステム上の共有メモリコンピュータシステムをより適切にサポートするための MPAM ドメイン
  • 仮想マシン上のトレースと統計プロファイリングのためのハイパーバイザーメモリ制御
  • キャッシュとデータ配置の改善
  • 機密コンピューティングのためのきめ細かなデータ分離
  • EL1システムレジスタのビット単位のロック
  • 大規模メモリシステム向けの粒度保護テーブル (GPT) のスケーリングの改善
  • 拡張/圧縮および最初の/最後のアクティブ要素の検索のための新しい SVE 命令
  • OS がアプリケーション メモリと対話できるようにする追加の非特権ロードおよびストア命令 (LDL(U)R* および STL(U)R*)
  • EL3からの未定義命令例外の注入

ARMv9.7-A

2025年10月にARMv9.7-Aが発表され、以下の内容が含まれていました。[ 57 ]

  • ターゲットメモリ無効化ブロードキャスト
  • 柔軟なリソース管理（MPAMv2）
  • 人工知能のための6ビットデータ型
  • ビデオコーデック
  • GICv5

ARM-R（リアルタイムアーキテクチャ）

オプションのAArch64サポートがArmv8-Rプロファイルに追加され、これを実装した最初のArmコアはCortex-R82でした。[ 58 ] A64命令セットが追加され、メモリバリア命令にいくつかの変更が加えられました。[ 59 ]

参考文献

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