今天我们来简单研究一下ARM的load和store指令。文中的分析都是默认基于A64指令集。如果不明白A64是什么，或者对处理器内部常用寄存器不清楚，建议看看前面的文章。
现在的处理器指令集基本都是寄存器-寄存器型。在寄存器-寄存器型指令系统中，运算指令的操作数只能来自寄存器,不能来自存储器,所有的访存都必须显式的通过load指令和store指令来完成,所以寄存器-寄存器型又被称为load-store型。
Load，顾名思义，就是把外部存储器数据加载到处理器的寄存器中；store就是把寄存器中的数据存储到外部存储器中。需要注意，load/store指令其实是一组指令，除去基本的load/store指令还有一大堆变种指令，总共差不多有几十种。文中以小写字母load/store来统称加载/存储指令，具体的指令用大写字母来表示。
基本的加载和存储指令是LDR和STR，指令的语法格式是：
LDR <Destination>, [<address>]
STR <Destination>, [<address>]
LDR指令就是把内存地址<address>中的数据（用地址加上方括号表示，即[<address>]）加载到<Destination>指定的通用寄存器中；STR反过来，把通用寄存器中的数据存储到内存地址中。
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<Xt>是64-bit的通用寄存器名称，放在上图的Rt字段；<Xn>是64-bit的通用寄存器名称，放在Rn字段；如果option<0>=1，<Xm>是64-bit的通用索引寄存器，放在Rm字段；<extend>是索引扩展/移位说明符，默认为LSL，编码在option字段中，见下图；<amount>是索引移位量，仅在<extend>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？
作者：老秦谈芯
文章来源：老秦谈芯
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