简单研究一下ARM的load和store指令

现在就涉及到了一个问题，指令中的地址如何确定，或者说指令如何寻址？

A64指令集中的load/store指令的寻址模式需要使用通用寄存器X0-X30或当前堆栈指针SP作为基址，再加上立即数或寄存器偏移量，构成最终的内存地址。A64的寻址模式有以下几种：

基址寄存器模式（Base register modes）。这是最简单的寻址形式。基址寄存器是一个X寄存器，包含被访问数据的完整/虚拟地址，如下面的示意图所示，LDR指令把X1寄存器中的值当作内存地址，取出其中的数值，装入W0寄存器。

偏移寻址模式（Offset addressing modes）。此模式把寄存器中的地址加上偏移量，相加的结果作为内存地址，如下面的示意图所示，把X1中的地址加上偏移量12作为新的内存地址，然后把新内存地址中的数据加载到W0。

前索引寻址模式（Pre-indexed addressing modes）。在这种模式下，先更新地址偏移，然后访问内存地址。在指令语法中，前索引通过在方括号之后添加感叹号来表示。前索引寻址与偏移寻址类似，不同之处在于基指针是根据指令更新的，如下面的示意图所示，先把X1中的内存地址加上偏移量12，存入X1，然后取出新地址中的数据存入W0。

后索引寻址模式（Post-indexed addressing modes）。与前索引寻址模式不同，在这种模式下，先访问内存地址，然后更新地址偏移。使用后索引寻址，先从基指针中的地址加载值，然后更新指针，如下面的示意图所示，LDR先把X1内存地址的值加载到W0，然后把内存地址向后偏移12，新的内存地址放入X1。后索引寻址对于出栈很有用。指令从堆栈指针指向的位置加载值，然后将堆栈指针移动到堆栈中的下一个完整位置。

PC相对寻址模式（Literal）。在这种模式下，基址是64位程序计数器的值，再加上19位有符号字偏移量组成内存地址。这意味着内存地址是一个4字节对齐的地址，地址范围在±1MB内。PC相对寻址只能用于至少32位的加载和预取指令。相对寻址适用于子程序调用。

分析完寻址方式，接下来我们再进一步看看指令的编码格式。A64是固定长指令集，采用32-bit编码。Load/store指令的基本编码格式如下：

其中的op0-op4是操作码，具体编码如下表：

我们具体来分析一条指令，LDR（register）。如前面所说，该指令根据基址寄存器的值和偏移寄存器的值来计算内存地址，并把内存地址中的数据加载进通用寄存器。指令的具体格式如下，其中size=10表示32-bit，size=11表示64-bit。

其中是64-bit的通用寄存器名称，放在上图的Rt字段；是64-bit的通用寄存器名称，放在Rn字段；如果option<0>=1，是64-bit的通用索引寄存器，放在Rm字段；是索引扩展/移位说明符，默认为LSL，编码在option字段中，见下图；是索引移位量，仅在不是LSL时可选用。

前面说的load/store指令都是对一个的寄存器操作。A64还提供了对两个（pair）寄存器操作的load/store指令，也叫成对指令，即LDP（Load Pair）和STP（Store Pair）。成对指令可以在两个寄存器和内存之间传输数据。

下面示例中，LDP指令加载[X0]的数据到W3，加载[X0+4]到W7：

LDP W3, W7, [X0]

下面示例中，STP指令存储D0到[X4]，存储D1到[X4+4]：

STP D0, D1, [X4]

LDP和STP指令通常用于出栈和压栈操作。在AArch64中，堆栈指针必须是128-bit对齐的，而通用寄存器是64-bit宽度。下面的示例中，STP指令采用前索引寻址，先把SP指向的地址做偏移，然后把X0和X1的值存入SP指向的地址。LDP指令采用后索引寻址，把SP指向地址的数据加载到X0和X1，并且SP指向的地址偏移16（即128bit对齐）。

STP X0, X1, [SP, #-16]!

LDP X0, X1, [SP], #16

A64中还提供了一些特殊的加载和存储指令。为了支持内存屏障，A64提供了LDAR（Load-Acquire）和STLR（Store-Release）指令。LDAR和STLR是单向的内存屏障指令，可以用于支持释放一致性（Release Consistency）模型。

A64中提供了同步原语指令LDXR（Load Exclusive）和STXR（Store Exclusive），用以支持加载/存储的原子操作。接下来会另开几篇探讨内存屏障和同步，这里就不细说了。

今天就到这里吧，是不是没用的知识又增加了一些呢？

原作者：老秦谈芯