Arm A64

<bgcolor=#96834a> 명령어 집합
CISC	x86 (AMD64^● · IA-32^● · IA-16) · M68K · MC68xx · MOS 65xx · Z80 · 8080 · 8051 System/360 · z/Architecture · PDP-11 · VAX
RISC	Arm (A64 · A32 · T32) · RISC-V^● · MIPS^● · DEC Alpha^● · Power ISA IBM Power · PowerPC · CELL-BE LoongArch · OpenRISC · PA-RISC · SPARC SuperH · Xtensa · AVR AVR32
VLIW EPIC	E2K · IA-64 · Crusoe

<rowcolor=#fff> Arm 아키텍처
명령어 집합	A64 · A32 · T32 Thumb · Thumb-2 · Thumb-EE · Jazelle
SIMD · 부동소수점 확장
부동소수점	VFP · FP16 · BF16
SIMD/벡터	Neon · MVE Helium · SVE SVE2
행렬	SME SME2
기타 확장
보안	TrustZone · PAC · BTI · MTE · TME · CCA
암호화	AES · PMULL · SHA1 · SHA2 · SHA3 · SM3 · SM4
메모리	LSE LSE2 · LSE128 · LRCPC LRCPC2 · LRCPC3
가상화	VHE · NV2

<colbgcolor=#0091bd><colcolor=#fff> A64
개발	Arm Holdings
발표	2011년 (ARMv8.0-A)
분류	명령어 집합(RISC)
비트	64
라이선스	사유
링크	#

1. 개요2. 특징3. 역사

3.1. 초창기3.2. 서버 및 PC 시장으로의 확대3.3. Armv9-A 이후

4. 명령어 목록5. 기타6. 관련 문서

1. 개요

A64는 Arm이 2011년 10월 Armv8-A와 함께 발표한 64비트 명령어 집합이다. AArch64 실행 상태에서만 동작하며, 동일 아키텍처의 32비트 명령어 집합인 A32, T32와는 인코딩 호환성이 없다.

Apple의 A7 (Cyclone) 프로세서에 처음 탑재되어 2013년 9월 상용 제품으로 출시되었으며, 2020년대 들어 Apple Silicon, AWS Graviton, 퀄컴 Snapdragon X 등에 채택되면서 모바일과 서버는 물론 개인용 컴퓨팅까지 아우르는 64비트 ISA로 자리잡았다.

명칭은 진영에 따라 갈리는데, Arm의 공식 명칭은 실행 상태를 가리키는 AArch64와 명령어 집합을 가리키는 A64로 구분되어 있고, Apple과 Microsoft는 Arm64를, 리눅스를 비롯한 오픈소스 진영은 aarch64를 식별자로 사용한다.

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2. 특징

단순히 기존 32비트 명령어 집합인 A32를 64비트로 확장하는 대신, AArch64 모드와 함께 새로 설계된 RISC 명령어 집합이다. 이름에 64가 들어가지만 명령어 길이까지 32비트에서 64비트로 확장된 것은 아니며, 범용 레지스터 및 포인터의 크기가 64비트인 ISA라는 의미이다.

명령어 길이는 32비트 고정이다.
A64는 32비트 고정 길이 명령어 인코딩을 사용하며, Thumb(T32)와 같은 16비트 변형이나 RISC-V의 "C" 확장 같은 압축 모드가 존재하지 않는다. 모든 명령어는 4바이트 정렬된 주소에 위치하며, 명령어 종류와 무관하게 길이가 일정하므로 디코더 구현이 단순하다.
범용 레지스터의 수가 31개로 증가하였고, 상수 0 레지스터를 도입하였다.
A32의 범용 레지스터 수는 16개, 그 중 사실상 특수 취급인 SP/PC를 제외하면 14개를 사용할 수 있었지만 A64는 X0~X30으로 표기되는 31개의 64비트 범용 레지스터를 제공하며, 31번 레지스터는 명령어에 따라 ZR 또는 SP와 연결된다. ZR은 타 RISC 명령어 집합의 상수 0 개념을 도입한 것으로, 쓰기가 무시되는 특수한 레지스터이다. 32비트 레지스터인 W0~W30은 X0~X30 각각의 하위 32비트에 해당하며, 32비트 레지스터에 대한 쓰기는 x86-64처럼 상위 32비트를 0으로 초기화한다. A32처럼 PC를 일반 레지스터로 직접 취급하지 않으며, PC 상대 주소 계산은 ADR, ADRP 같은 별도 명령어로 처리한다.
조건부 실행은 대부분 제거되었다.
A32가 거의 모든 명령어에 4비트 조건 필드를 두어 조건부 실행을 지원했던 것과 달리, A64에서는 조건부 실행이 대부분 제거되었다. 조건부 분기(B.cond), 조건부 선택 계열(CSEL, CSINC, CSINV, CSNEG), 조건부 비교(CCMP, CCMN) 등 일부 명령어에만 조건 필드가 남아 있다. 기존 조건부 실행이 분기 예측이 발달한 현대 파이프라인에서 항상 유리하지는 않다는 판단에 따른 것이다.
시프트 옵션은 한정적으로 유지되었다.
A32의 통합 배럴 시프터 개념은 일부 데이터 처리 명령어에서 한정적으로 유지되어, 두 번째 피연산자에 대한 시프트나 확장을 명령어 안에 결합할 수 있다. 예를 들어 ADD X0, X1, X2, LSL #3처럼 상수 시프트된 레지스터 값을 덧셈 피연산자로 사용할 수 있으며, ADD X0, X1, W2, SXTW처럼 32비트 값을 부호 확장해 64비트 연산에 사용할 수도 있다. 단, 레지스터 값을 사용한 가변 시프트 옵션은 제거되었다.
기본 메모리 모델은 WMO로, 동기화를 위해서는 동기화 명령 또는 원자적 연산이 필요하다.
메모리 일관성 모델은 A32보다 명시적으로 더 약화된 weak memory order를 채택했다. 따라서 멀티코어 환경에서 메모리 접근 순서를 보장해야 할 때는 명시적인 동기화가 필요하다. A64에서는 이를 위해 DMB, DSB, ISB 같은 배리어 명령어를 제공한다. 동시에 release consistency 의미를 제공하는 LDAR (load-acquire), STLR (store-release) 계열 명령어를 도입하여, 명시적인 데이터 메모리 배리어(DMB)를 매번 삽입하지 않고도 acquire/release 의미만 필요한 동기화를 표현할 수 있다.
원자 연산은 초기 Armv8-A에서 주로 LDXR/STXR 같은 exclusive load/store 쌍으로 표현되었다. 이후 Armv8.1-A의 Large System Extensions에서는 CAS, SWP, LDADD 같은 원자 명령어가 추가되어, 지원하는 프로세서에서는 일부 원자 갱신을 더 간결하게 표현할 수 있다.

부동소수점과 SIMD 명령어는 128비트 V0~V31 레지스터를 중심으로 제공된다. AArch64의 Advanced SIMD(NEON)는 정수·부동소수점 벡터 연산을 담당하며, SVE나 SME 같은 기능은 A64 기본 명령어 집합과 구분되는 별도 확장으로 취급된다.

3. 역사

3.1. 초창기

Arm은 2011년 10월 Armv8-A를 공개하면서 64비트 실행 상태인 AArch64와 새 명령어 집합인 A64를 도입했다. 기존 32비트 실행 상태는 AArch32로 정리되었고, 그 안에서 쓰이는 기존 ARM 명령어 집합과 Thumb 계열 명령어 집합은 각각 A32와 T32라는 이름으로 구분되었다.

Armv8-A의 목표는 기존 32비트 Arm 소프트웨어와의 호환성을 유지하면서도, 서버와 고성능 모바일 SoC에 필요한 64비트 주소 공간, 확장된 레지스터 파일, 정리된 명령어 체계를 제공하는 것이었다.

A64가 처음으로 구현된 프로세서는 Apple A7이었다. Apple A7은 2013년 발표된 iPhone 5s에 탑재되었으며, 스마트폰에 최초로 64비트 아키텍처를 적용한 사례가 되었다.

이후 Android 진영에서도 Armv8-A 기반 SoC가 빠르게 늘어났다. 64비트 운영체제와 애플리케이션 ABI가 정착하면서 A64는 고성능 모바일 애플리케이션 프로세서의 기본 ISA가 되었다.

3.2. 서버 및 PC 시장으로의 확대

A64는 모바일뿐 아니라 서버 시장으로도 확대되었다. 클라우드 사업자와 반도체 업체들은 AArch64 기반 서버 프로세서를 내놓았고, 리눅스 배포판과 주요 컴파일러도 AArch64를 주요 타깃으로 지원하게 되었다.

Apple Silicon의 등장 이후에는 개인용 컴퓨터 영역에서도 A64의 비중이 커졌다. macOS는 Apple Silicon 전환을 통해 arm64 네이티브 생태계를 확장했고, Windows on Arm 역시 Arm64 네이티브 애플리케이션과 x86/x64 에뮬레이션을 병행하는 방향으로 발전했다.

3.3. Armv9-A 이후

Armv9-A에서는 AArch64가 기본 실행 상태가 되었다. Armv9-A 프로세서는 모든 Exception Level에서 AArch64를 지원해야 하며, AArch32 지원은 구현에 따라 제한된다.

4. 명령어 목록

자세한 내용은 Arm A64/명령어 목록 문서

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