ARM处理器中的load/store指令研究

对于load/store指令，有必要再深入研究一下。由于load和store指令是相对应的，我们今天重点看load。

ARM提供了一组指令，包括加载获取（Load Acquire）语义和存储释放（Store Release）语义，以支持Release Consistency sequentially consistent（RCsc）模型。另外，FEAT_LRCPC（Armv8.3中的扩展功能）提供Load AcquirePC指令。Load AcquirePC和Store Release的组合可用于支持Release Consistency processor consistent（RCpc）模型。RCpc相较RCsc，则更加弱化。

ARM采用的是弱一致性模型。释放一致性模型（Release Consistency，RC）是对弱一致性模型的改进，它把同步操作进一步分成获取操作（Acquire）和释放操作（Release）。Acquire用于获取对某些共享存储单元的独占性访问权；Release用于释放该访问权。执行的顺序为：acquire-> load/store ->release。

对于获取语义：该原语之后的任何读写操作都不能重新排序到此原语之前执行

对于释放语义：该源于之前的任何读写操作都不能重新排序到此原语之后执行

Acquire通常与加载指令结合；而Release通常与存储指令结合，所以在文档中经常会看到load-acquire和store-release这样的描述。

对于数据大小，有如下的约定：

字节（Byte），8-bit
半字（Half-word），16-bit
字（Word），32-bit
双字（Double-word），64-bit

铺垫完这些基本概念，回到加载指令。

1 LD64B，单拷贝原子64字节加载指令。该指令从基址寄存器中得到内存地址，从内存位置连续加载八个64-bit的双字，写入连续寄存器Xt到X（t+7），整个过程是原子操作。

LD64B指令的编码格式如下：

LD64B指令的语法格式如下：

LD64B <Xt>, [<Xn|SP> {,#0}]

2 LDADD指令，原子加法指令。该指令从内存中加载一个32-bit字或64-bit双字，与寄存器里面的值相加，把结果写回到内存中；最初从内存加载的值返回到目标寄存器中。

LDADD指令的编码格式如下：

LDADD指令的语法格式如下：

LDADD <Xs>, <Xt>, [<Xn|SP>]

另外还有三条指令，LDADDA，LDADDL和LDADDAL。这四条指令的区别是，LDADDA和LDADDAL的加载访问有获取语义；LDADDL和LDADDAL的存储访问有释放语义；LDADD既没有获取语义也没有释放语义。所以，指令中最后的A代表acquire，L代表release。针对字节和半字操作，相应的指令是LDADDB, LDADDAB, LDADDALB, LDADDLB和LDADDH, LDADDAH, LDADDALH, LDADDLH，最后的B表示byte，H表示halfword。

3 LDAR，加载获取指令（Load-Acquire）。该指令从基址寄存器得到内存地址，从内存位置加载一个32-bit字或64-bit双字，写入寄存器。

LDAR指令的编码格式如下：

LDAR指令的语法格式如下：

LDAR <Xt>, [<Xn|SP>{,#0}]

后面讲内存屏障的时候会着重解释一下LDAR指令。

LDAR的变体指令有LDARB和LDARH。

4 LDAPR，加载获取指令（Load-Acquire RCpc）。该指令从基址寄存器得到内存地址，从内存位置加载一个32-bit或64-bit，写入寄存器。

LDAPR指令的编码格式如下：

LDAPR指令的语法格式如下：

LDAPR <Xt>, [<Xn|SP> {,#0}]

与LDAR指令的不同之处在于，LDAPR指令支持Load-AcquirePC。LDAPR的变体指令有LDAPRB和LDAPRH。

5 LDAPUR，不扩展加载获取指令（Load-Acquire RCpc，unscaled）。该指令从基址寄存器得到内存地址，并加上一个立即数偏移组成新的地址，从新地址加载一个32-bit字或64-bit双字，不扩展，写入寄存器。

LDAPUR指令的编码格式如下：

LDAPUR指令的语法格式如下：

LDAPUR <Xt>, [<Xn|SP>{, #<simm>}]

LDAPUR指令中的U表示unscaled。这里的unscaled指的是偏移量不可扩展。LDR指令中的偏移量是可扩展的，也就是偏移量是8字节对齐的。以imm9为例，这是9-bit的偏移量，如果是可扩展，地址偏移量范围是0 ~ 4088B（2^9 * 8）。如果不可扩展，偏移量是字节对齐的，范围是-256 ~ 255B。

LDAPUR的变体指令有LDAPURB和LDAPURH。

6 LDAPURSW，有符号加载获取指令（Load-Acquire RCpc，Signed Word）。该指令从基址寄存器和立即偏移量计算地址，从内存加载有一个符号字，对其进行符号扩展，并将其写入寄存器。

LDAPURSW指令的编码格式如下：

LDAPURSW指令的语法格式如下：

LDAPURSW <Xt>, [<Xn|SP>{, #<simm>}]

LDAPURSW指令中的SW表示signed word。其变体指令有LDAPURSB和LDAPURH。

7 LDAXR，加载获取独占指令（Load-Acquire Exclusive）。该指令从基址寄存器得到内存地址，从内存位置加载一个32-bit字或64-bit双字，写入寄存器。内存访问是原子性的。PE将正在访问的物理地址标记为独占访问，此独占访问标记由存储独占指令检查。

LDAXR指令的编码格式如下：

LDAXR指令的语法格式如下：

LDAXR <Xt>, [<Xn|SP>{,#0}]

LDAXR指令中的X表示exclusive。其变体指令有LDAXRB和LDAXRH。

8 LDAXP，加载获取独占指令（Load-Acquire Exclusive Pair）。该指令从基址寄存器得到内存地址，从内存位置加载两个（一对）32-bit字或64-bit双字，并将其写入两个寄存器。PE将正在访问的物理地址标记为独占访问，此独占访问标记由存储独占指令检查。

LDAXP指令的编码格式如下：

LDAXP指令的语法格式如下：

LDAXP <Xt1>, <Xt2>, [<Xn|SP>{,#0}]

LDAXP指令中的P表示pair，参考下面的LDP指令。

9 LDXP，加载独占指令（Load Exclusive Pair）。该指令从基址寄存器值得到内存地址，从内存加载两个32-bit字或两个64-bit双字，并将其写入两个寄存器。PE将正在访问的物理地址标记为独占访问，此独占访问标记由存储独占指令检查。

LDXP指令的编码格式如下：

LDXP指令的语法格式如下：

LDXP <Xt1>, <Xt2>, [<Xn|SP>{,#0}]

10 LDXR，加载独占指令（Load Exclusive）。该指令从基址寄存器值得到内存地址，从内存加载32-bit字或64-bit双字，并将其写入寄存器。内存访问是原子性的。PE将正在访问的物理地址标记为独占访问，此独占访问标记由存储独占指令检查。

LDXR指令的编码格式如下：

LDXR指令的语法格式如下：

LDXR <Xt>, [<Xn|SP>{,#0}]

其变体指令有LDXRB和LDXRH。

11 LDP，加载指令（Pair）。该指令通过基址寄存器和立即数偏移计算出内存地址，从内存地址加载两个32-bit字或64-bit双字，写入到两个寄存器。

LDP指令的编码格式如下：

其变体指令LDTRB，LDTRH。

当PSTATE寄存器中的UAO字段为1，在EL1和EL2执行非特权加载指令的效果和执行特权加载指令的效果一样。

13 LDTRSW，非特权有符号数加载，该指令从内存中加载一个字，将其扩展为64位有符号数，并将结果写入寄存器。用于加载的地址由基址寄存器和立即数偏移量计算得出。

其变体指令有LDTRSB，LDTRSH.

14 LDUR，不扩展加载指令（unscaled），该指令根据基址寄存器和立即数偏移量计算地址，从内存加载32-bit字或64-bit双字，零扩展，并将其写入寄存器。

其变体指令有LDURB，LDURH。

15 LDURSW，有符号不扩展加载指令，该指令根据基址寄存器和立即数偏移量计算地址，从内存加载有符号字，对其进行符号扩展，并将其写入寄存器。

其变体指令有LDURSB和LDURSH

16 LDG，加载分配标记（Allocation Tag）指令，该指令从内存地址加载分配标记，从分配标记生成逻辑地址标记，并将其合并到目标寄存器中。用于加载的地址根据基址寄存器和立即数有符号偏移量（通过Tag粒度缩放）计算。

其变体指令有LDGM，M表示multiple。等讲内存标签（Memory Tagging）的时候在具体介绍LDG指令。

17 LDLAR，加载指令（Load LOAcquire）。该指令从内存中加载一个32-bit字或64-bit双字，并将其写入寄存器。该指令还具有内存排序语义（在手册的LoadLOAcquire, StoreLORelease章节）。

LDLAR指令的编码格式如下：

18 LDCLR，原子位清除指令。该指令以原子方式从内存加载一个32-bit字或64-bit双字，执行按位与运算，并将值的补码保存在寄存器中，然后将结果存储回内存。最初从内存加载的值返回到目标寄存器中。

其变体指令有LDCLRA，LDCLRL和LDCLRAL，A和L的含义参考前面。同样，对于8-bit数据操作，有LDCLRB，LDCLRAB，LDCLRALB，LDCLRLB；对16-bit数据操作，有LDCLRH，LDCLRAH，LDCLRALH，LDCLRLH。

19 LDEOR，原子异或指令。该指令以原子方式从内存中加载32-bit字或64-bit双字，使用其寄存器中保存的值执行异或，并将结果存储回内存。最初从内存加载的值返回到目标寄存器中。

LDEOR指令的编码格式如下：

其变体指令有LDEORA, LDEORAL, LDEORL，LDEORB, LDEORAB, LDEORALB, LDEORLB，LDEORH, LDEORAH, LDEORALH, LDEORLH。不再赘述。

20 LDSET，原子位设置指令。该指令以原子方式从内存加载一个32-bit字或64-bit双字，执行按位或运算，并将值保存在寄存器中，然后将结果存储回内存。最初从内存加载的值返回到目标寄存器中。

其变体指令有LDSETA，LDSETAL，LDSETL；LDSETB，LDSETAB，LDSETALB，LDSETLB；LDSETH，LDSETAH，LDSETALH，LDSETLH。

21 LDSMAX，原子有符号数取大值指令。该指令以原子方式从内存中加载一个32-bit字或64-bit双字，将其与寄存器中保存的值进行比较，并将较大的值存储回内存。最初从内存加载的值返回到目标寄存器中。

LDSMAX指令的编码格式如下：

其指令变体有LDSMAXA，LDSMAXAL，LDSMAXL；LDSMAXB，LDSMAXAB，LDSMAXALB，LDSMAXLB；LDSMAXH，LDSMAXAH，LDSMAXALH，LDSMAXLH。

对应的还有原子无符号数取大值指令，LDUMAX，LDUMAXA，LDUMAXAL，LDUMAXL；LDUMAXB，LDUMAXAB，LDUMAXALB，LDUMAXLB；LDUMAXH，LDUMAXAH，LDUMAXALH，LDUMAXLH。

22 LDSMIN，原子有符号数取小值指令。该指令从内存中加载一个32-bit字或64-bit双字，将其与寄存器中保存的值进行比较，并将较小的值存储回内存，将这些值视为有符号数。最初从内存加载的值返回到目标寄存器中。

LDSMIN指令的编码格式如下：

其变体指令LDSMINA，LDSMINAL，LDSMINL；LDSMINB，LDSMINAB，LDSMINALB，LDSMINLB；LDSMINH，LDSMINAH，LDSMINALH，LDSMINLH。

无符号数指令LDUMIN，LDUMINA，LDUMINAL，LDUMINL；LDUMINB，LDUMINAB，LDUMINALB，LDUMINLB；LDUMINH，LDUMINAH，LDUMINALH，LDUMINLH。

本篇主要是介绍各种特殊的加载指令，至于具体的用法，会放在后面的同步原语（Synchronization Rrimitive），内存屏障（Memory Barrier），内存标签（Memory Tagging）等文章中。

这篇文章整理起来十分繁琐，指令过多，而且指令名字差别不大，几个字母颠来倒去，很容易就看串行或者敲错了。

与加载指令对应的是存储指令，就不再整理了。

如果大家不是做处理器逻辑设计，或者底层软件开发，编译器开发等等（比如我，哈哈），就不需要太关注具体的指令编码和语法。但是从系统架构角度，需要对这些指令有所了解。

原作者：老秦谈芯