一、通用寄存器

AArch64执行状态提供了31个在任何时间任何特权级下都可访问的64位的通用寄存器。每个寄存器都有64位宽,它们通常被称为寄存器X0-X30。每个AArch64 64位通用寄存器(X0-X30)也具有32位(W0-W30)形式。每一个通用寄存器可以作为64位的通用寄存器，我们叫他们(X0-X30)，也可以作为32位的通用寄存器(W0-W30)。

如下图所示，每一个通用寄存器都是64位的。32位寄存器(W0-W30)取自相应的64位寄存器(X0-X30)的低32位。也就是说,W0映射到X0的低32位,W1映射到X1的低32位。从32位寄存器(W0-W30)读取时,忽略相应64位寄存器(X0-X30)高32位,并保持其它不变。写入32位寄存器(W0-W30)时,将64位寄存器(X0-X30)的高32位设置为零。也就是说,将0xFFFFFFFF写入W0会将X0设置为0x00000000FFFFFFFF。

通用的寄存器一般作为用来传参。出于函数调用的目的，通用寄存器分为四组：

1. x0-x7：参数寄存器
   这些寄存器一般用作参数寄存器，用于传递子程序的参数和返回值，使用时不需要保存，多余的参数用堆栈传递，64位的返回结果保存在x0中。 它们也可以用作临时寄存器或调用者保存的寄存器变量，可以在函数内保存中间值，或者函数调用之间传递参数。
2. X9-X15：调用者寄存器
   如果调用者需要在调用另一个函数时保留一些寄存器中的任何值，则调用者必须将受影响的寄存器保存在自己的堆栈帧中。 也可以修改子例程，而不需要在返回调用函数时保存值到堆栈和从堆栈中恢复它们。
3. X19-X29：被调用寄存器
   这些寄存器保存在被调用者内部。 只要在返回前保存并恢复，就可以在被调用的子程序中修改。
4. X8, X16-X18, X29, X30：特殊目的寄存器
   X8 是间接结果寄存器。 这用于传递间接结果的地址位置，例如，函数返回大型结构的位置。
   X16 和 X17 分别是 IP0 和 IP1，临时寄存器（intra-procedure-call ）可以通过veneers或者类似代码使用，或者作为子程序调用之间的中间值的临时寄存器。它们可以被函数破坏。veneers代码是链接器自动插入的一小段代码，例如当分支（跳转）目标超出分支指令（支持的）范围时。
   X18 是平台寄存器，保留供平台 ABI 使用。这是平台上的一个附加临时寄存器，没有为其分配特殊含义。
   X29 是 Frame Pointer 寄存器，指向当前方法栈的底部。用于连接栈帧，使用时必须保存。
   X30 是链接寄存器，这个寄存器会记录着当前方法的调用方地址 ，即当前方法调用完成时应该返回的位置。我们进行函数调用的时候，会用X30记录当前调用地址，等调用函数执行完毕，会从X30取出地址进行返回。我们遇到 Crash 要获取方法堆栈，其本质就是不断的向上递归每一个 x30 寄存器的记录状态（也就是栈上 X30 寄存器的内容） 来找到上层调用方。

二、特殊寄存器

除了31个核心的通用寄存器外,还有几个特殊的寄存器，包括零寄存器、程序计数器、栈指针、程序状态寄存器、异常链接寄存器。其中零寄存器、程序计数器只有一个，而栈指针、程序状态寄存器、异常链接寄存器则每个异常级别都有一个。好吧，EL0没有程序状态寄存器、异常链接寄存器，因为EL0不需要保存自己的程序状态，也没有处于EL0的异常。

1.零寄存器（XZR）

当访问零寄存器时,所有写操作都被忽略,所有读操作返回0。因为操作寄存器的速度是最快的，这个寄存器的作用是提供0这个值，避免了操作内存。

零寄存器当用作源寄存器时读操作的结果为零,当用作目标寄存器时则将结果丢弃。你可以在大多数指令中但不是所有指令中使用零寄存器。

2.程序计数器（PC）

原来的ARMv7指令集的一个特性是R15作为程序计数器(PC),并作为一个通用寄存器使用。PC寄存器的使用带来了一些编程技巧,但它为编译器和复杂的流水线的设计引入了复杂性。在ARMv8中删除了对PC的直接访问,使返回预测更容易,并简化了ABI规范。
PC永远不能作为一个命名的寄存器来访问。但是,可以在某些指令中隐式的使用PC,如PC相对加载和地址生成。PC不能被指定为数据处理或加载指令的目的操作数。

3.栈指针（SP）

在ARMv8体系结构中,要使用的栈指针的选择在一定程度上与异常级别是分开的。默认情况下,发生异常时会选择目标异常级别的SP_ELn作为栈指针。例如,当触发到EL1的异常时,就会选择SP_EL1作为栈指针。每个异常级别都有自己的栈指针,SP_EL0、SP_EL1、SP_EL2和SP_EL3。
当AArch64处于EL0以外的异常级别时,处理器可以使用与该异常级别相关联的一个专用的64位栈指针(SP_ELn)与EL0关联的栈指针(SP_EL0)。是，EL0永远只能访问SP_EL0。

如上图所示，t后缀表示选择了SP_EL0栈指针。h后缀表示选择了SP_ELn栈指针。
虽然大多数指令都无法使用SP寄存器。但是有一些形式的算术指令可以操作SP,例如,ADD指令可以读
写当前的栈指针以调整函数中的栈指针。例如:

ADD SP, SP, #0x10 // Adjust SP to be 0x10 bytes before its current value
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4.程序状态寄存器（SPSR）

当异常发生时,CPSR中的处理器状态将保存在相关的程序状态保存寄存器(SPSR)中,其方式类似于ARMv7。SPSR保存着异常发生之前的PSTATE的值,用于在异常返回时恢复PSTATE的值。

AArch64下各bit的含义:

在ARMv8中,写入的SPSR依赖于异常级别。如果异常发生在EL1,则使用SPSR_EL1。如果异常发生在EL2,则使用SPSR_EL2,如果异常发生在EL3,则使用SPSR_EL3。处理器核会在异常发生时填充SPSR。

备注：在armv8架构中表面上我们是操作SPSR寄存器，实际上我们是操作下面的一堆寄存器，因为在armv8中已经没有了这个寄存器的实体，他里面的数据全部来自与下图的某个寄存器的某个位。

5.异常链接寄存器（ELR）

异常链接寄存器保存异常返回地址。异常包括Serror，iqr和fiq。举个例子，cpu通过irq从el1陷入到el2的时候会把el1的pc保存到ELR寄存器中，当cpu从el2返回的时候，从ELR寄存器取出pc值继续运行。

三、处理器状态寄存器

AArch64没有直接与ARMv7当前程序状态寄存器(CPSR)等价的寄存器。在AArch64中，传统CPSR的组件作为可以独立访问的字段提供。这些状态被统称为处理器状态(PSTATE)。下图中，PSTATE.{N, Z, C, V}字段可以在EL0级别访问。 其他的字段可以在EL1或更高级别访问，但是这些字段在EL0级别未定义。

在AArch64中，你可以通过执行ERET指令从一个异常中返回，这将导致SPSR_ELn被复制到PSTATE中。这将恢复ALU标志、执行状态、异常级别和处理器分支。从这里开始，将继续从ELR_ELn中的地址开始执行。

四、系统寄存器

在AArch64中，系统配置通过系统寄存器进行控制，并使用MSR和MRS指令进行访问。这与ARMv7-A形成了鲜明对比，在ARMv7-A中，这些寄存器通常通过协处理器15(CP15)操作来访问。寄存器的名称会告诉你可以访问它的最低异常级别。具有后缀_ELn的系统寄存器在各异常级别中有一个独立的的副本，但通常不是EL0，很少有系统寄存器可以从EL0访问，尽管缓存类型寄存器(CTR_EL0)是一个可以从EL0访问的系统寄存器的例子。
举个例子，可以采用以下形式来访问系统寄存器：

MRS x0, TTBR0_EL1 // Move TTBR0_EL1 into x0
MSR TTBR0_EL1, x0 // Move x0 into TTBR0_EL1
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ARM体系结构以前的版本使用协处理器来进行系统配置。但是，AArch64并不包含对协处理器的支持。这里会介绍一些比较重要的寄存器，如果想查看全部，请参见ARM体系结构参考手册-ARMv8的附录J查看完整的列表。下面介绍一下系统控制寄存器及其功能：

1.缓存寄存器（CTR_EL0）

缓存寄存器（CTR）是一个提供有关缓存架构的信息的寄存器，硬件上只有一个，就是CTR_EL0，所有特权和非特权状态都是访问他。

2.指令实现寄存器（ID_AA64ISAR0_EL1）

指令实现寄存器是一个介意提供关于在AArch64状态下实现的指令的信息的寄存器。

3.翻译控制寄存器（TCR_ELx）

翻译控制寄存器是第1阶段翻译状态的控制寄存器，包括TCR_EL1、 TCR_EL2和 TCR_EL3。AArch64系统寄存器TCR_EL1位[31:0]在架构上映射到AArch32系统寄存器TTBCR[31:0]。AArch64系统寄存器TCR_EL1位[63:32]在架构上映射到AArch32系统寄存器TTBCR2[31:0]。AArch64系统寄存器TCR_EL2位[31:0]在架构上映射到AArch32系统寄存器HTCR[31:0]。
TCR_EL1：
EL1&0都是用TCR_EL1寄存器。

TCR_EL2&3：

4.系统控制寄存器（SCTLR_ELx）

系统控制寄存器(SCTLR)是一个用来控制标准内存、配置系统能力、提供处理器核状态信息的寄存器，包括 SCTLR_EL1、 SCTLR_EL2和 SCTLR_EL3。但是并不是所有bit在EL1都可用得。

若想查看更加具体含义可以查看贺贺的个人网站。
SCTLR_ELn的使用方式：

MRS <Xt>, SCTLR_ELn // Read SCTLR_ELn into Xt
MSR SCTLR_ELn, <Xt> // Write Xt to SCTLR_ELn
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下图是cpu初始化的时候，操作SCTLR_EL1，打开指令cache和数据cache的例子：

5. 虚拟化配置寄存器（HCR_EL2）

虚拟化配置寄存器（HCR_EL2）是一个用来为虚拟化提供配置控制的寄存器，包括定义各种操作是否被捕获到EL2。

6.安全配置寄存器（SCR_EL3）

安全配置寄存器（SCR_EL3）是一个定义当前Security状态的配置的寄存器，它指定:EL0、EL1、EL2的安全状态。“安全”状态为“安全”或者“不安全”。

MRS <Xt>, SCR_EL3
MSR SCR_EL3, <Xt>
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