【ARM】A64指令介绍及内存屏障和寄存器

A64指令集介绍

ISA : Instruction System Architecture

指令集总结

跳转指令

使用跳转指令直接跳转，跳转指令有跳转指令B，带链接的跳转指令BL ，带状态切换的跳转指令BX。
B 跳转指令，跳转到指定的地址执行程序。
BL 带链接的跳转指令。指令将下一条指令的地址拷贝到R14(即LR)链接寄存器中，然后跳转到指定地址运行程序。
BX 带状态切换的跳转指令。跳转到Rm 指定的地址执行程序，若Rm 的位[0]为1，则跳转时自动将CPSR 中的标志T 置位，即把目标地址的代码解释为Thumb代码;若Rm 的位[0]为0，则跳转时自动将CPSR 中的标志T 复位，即把目标地址的代码解释为ARM代码
条件跳转指令 : 5个
• b.cond label
• cbz Xn|Wn, label
• cbnz Xn|Wn, label
• tbz Xn|Wn, #uimm6, label //如果Xn的第uimm的bit位位0，则跳转到label
• tbnz Xn|Wn, #uimm6, label

无条件跳转label指令 : 2个
• b label
• bl label
无条件跳转register指令 ： 3个
• br Xn
• blr Xn
• ret {Xn}

PC相对寻址

读取 PC 的方法是：PC 相对地址的指令（ADR, ADRP, literal load, and direct branches），以及branch-and-link指令(BL 和 BLR）会将PC地址存储在LR寄存器
• 修改程PC的方法是：
使用显式控制流指令：条件分支、无条件分支、异常生成和异常返回指令

• ADR指令
使用格式：adr register exper
编译时，首先会计算出当前PC到exper的偏移量#offset_to_exper
然后会用ADD或SUB指令，来替换这条指令；例如等效于:ADD register,PC,#offset_to_exper,register就是exper的地址；

• ADRP指令
使用格式：adrp register exper。编译时，首先会计算出当前PC到exper的偏移量#offset_to_exper，pc的低12位清零，然后加上偏移量，给register得到的地址，是含有label的4KB对齐内存区域的base地址；

系统操作指令

cache操作

地址翻译

内存访问指令

• Load-Store Single Register 单寄存器读写
• Load-Store Single Register (unscaled offset) offset为-256 ~ +256对齐读写
• Load Single Register (pc-relative, literal load)
• Load-Store Pair 双寄存器读写
• Load-Store Non-temporal Pair 直接读写外存，跳过cache
• Load-Store Unprivileged 以EL0身份读写
• Load-Store Exclusive 独占访问指
• Load-Acquire / Store-Release – 单项屏障指令-One-way barriers
• Prefetch Memory

Load-Store Single Register 单寄存器读写

• LDR Wt, addr //从由 addr 寻址的内存中加载一个字到 Wt
• LDR Xt, addr
• LDRB Wt, addr //从由 addr 寻址的内存中加载一个字节到 Wt，然后zero-extends it to Wt
• LDRSB Wt, addr //从由 addr 寻址的内存中加载一个字节到 Wt， 然后sign-extends it into Wt
• LDRSB Xt, addr //从由 addr 寻址的内存中加载一个字节到 Wt，然后zero-extends it to Xt
• LDRH Wt, addr //从 addr 寻址的内存中加载一个半字，然后将其零扩展到 Wt
• LDRSH Wt, addr //从 addr 寻址的内存中加载一个半字，然后将其符号扩展为 Wt。
• LDRSH Xt, addr //从由 addr 寻址的内存中加载一个半字，然后进行符号扩展它变成了 Xt。
• LDRSW Xt, addr //从由 addr 寻址的内存中加载一个字，然后将其符号扩展为Xt。
• STR Wt，addr //将 Wt 中的字存储到由 addr 寻址的内存中。
• STR Xt, addr //将来自 Xt 的双字存储到由 addr 寻址的内存中。
• STRB Wt，addr //将字节从 Wt 存储到由 addr 寻址的内存中。
• STRH Wt, addr //将来自 Wt 的半字存储到由 addr 寻址的内存中
• ldr{} Rd,
• str{} Rd,
• : b h sb sh sw

Load-Store Non-temporal Pair

直接读写外存，跳过cache
ldnp{} Rd,
• stnp{} Rd,
• : b h sb sh sw

Load-Store Unprivileged 以EL0身份读写

ldtr{} Rd,
• sttr{} Rd,
• : b h sb sh sw

Load-Store Exclusive 独占访问指令

• ldxr{} Rd,
• stxr{} Ws , Rd,
• ldxp{} Rd,
• stxp{} Ws, Rd,
• : b h sb sh sw

LDXR Wt, [base{,#0}]
(1)、从base地址处读取一个数字，存放到Wt寄存器中;
(2)、将Monitor变成exclusive状态

STXR Ws, Wt, [base{,#0}]
(1)、将Wt中的数据写入到base地址处，如果成功Ws返回0，否则返回1;
(2)、将Monitore从exclusive状态切换成open, 如果切换成功，则说明写入成功,Ws返回0;
如果切换失败，则数据不会写入到内存，Ws返回1

Load-Acquire / Store-Release – 单项屏障指令-One-way barriers

（Non-exclusive）
ldar{} Rd,
stlr{} Rd,

（exclusive）
ldaxr{} Rd,
stlxr{} Rd,
: b h sb sh sw

• 所有在LDAR之后的加载和存储指令，必需在LDAR之后才能被观察到
• 所有在STLR之前的加载和存储指令，必需在STLR之前观察到

数据操作指令

Data Processing (immediate)
• Arithmetic (immediate) 算数运算 ： add、sub、cmp、cmn、mov
• Logical (immediate) 逻辑运算 ： and eor orr movi tst
• Move (immediate) ： mov movz movn movk
• Bitfield (operations) 位操作 ： bfm sbfm ubfm bfe bfxil sbfiz sbfx ubfiz ubfx
• Shift (immediate) ： asr lsl lsr ror
• Sign/zero extend ： sxt uxt
• Data Processing (register)

Arithmetic (shifted register) : add sub cmn cmp neg
• Arithmetic (extending register) : add sub cmn cmp
• Logical (shifted register) : and bic eon eor orr orn mov mvn tst
• Shift (register) : asrv lslv lsrv rorv asr lsl lsr
• Bitwise operations : cls clz rbit rev rev16 rev32

算术操作

• add 加,
• adc 带进位的加,
• sub 减,
• sbc 带进位的减,
• neg 取反
• ngc 带进位的取反

逻辑操作

• and Bitwise AND
• bic Bitwise Bit Clear,
• eor Bitwise Exclusive OR,
• eon Bitwise Exclusive OR NOT,
• orr Bitwise OR,
• orn Bitwise OR NOT, and
• mvn Bitwise NO

数据移动操作

• mov Move,
• movz Move wide with zero,
• movn Move wide with NOT, and
• movk Move wide with keep

移位操作

• asr Arithmetic shift right,
• lsr Logical shift right, and
• lsl Logical shift left,
• ror Rotate right.

指令流水线

一般是三级指令流水线，第一级是Fetch，第二级是Decode，第三级是Issue。即取值、译码、发射。
对于ARM的AArch64，所有的cpu在取值和译码时都是顺序执行的，在发射时可能是乱序的。

• in-order：顺序流水线， 是指处理器按照它们在内存中出现的顺序发出指令（issue）。下一条指令不会早于上一条指令发出，但是如果是多pipeline的，那么一次还是可以发送多条指令的。所以即使它是顺序的还有可能第二条的load早于第一条的load。
• out-of-order: 乱序流水线， 是指处理器可以不按照指令在内存中的顺序发出（issue）指令。

Dual-pipeline 和 single-pipeline

Dual-pipeline的意思是每个pipeline上有两个，就如上图所示，如果是Dual-pipeline那么就会有两个load或者两个其他的。现在大多是都是single-pipeline，不理解也没关系。

in-order和out-of-order的执行原理

in-orde

顺序执行

IF：取值
D：译码
E：执行
M：访问内存
WB：写回，此时执行结束
上图的三条指令都是按顺序执行的，第一条去完指令之后，第二条才开始取值，然后第三条取值，然后依次进行下一步，在WB时也一样，先第一条执行，然后后面指令再依次执行，一步一步按顺序执行。

out-of-order

乱序执行

在这张图的三条指令中，在第一条指令未执行结束时，第二条指令就已经WB执行结束了。此时第一条指令还没执行完成，但是第三条指令又开始执行WB，接着第三条指令也执行结束，最后第一条指令执行完毕，这就是乱序执行。

DMB/DSB/ISB的介绍

由于很多处理器都是 Out-of-order execution(乱序执行)和 speculative execution(推测执行), 所以也意味着你的访问内存可能没有按照程序顺序进行 。 在大多数的情况下，我们都无需关心访问的顺序，但有些情况下却是不得不考虑，例如：
• 在不同的threads/cores之间共享数据
• 传递数据给peripherals, 如DMA操作
• 修改指令所在的内存，如load一个程序到RAM
• 修改内存管理方案，如context switching
(以上总结为: 不同observer之间共享数据时，需使用barries指令)

DMB– Data Memory Barrier：数据内存屏障，确保位于 “DMB 指令前的所有显式内存访问” 早于 " DMB 指令后的显示内存访问"（ 注意:data cache的操作也被看做是显示的访问）。
DSB – Data Synchronization Barrier：数据同步屏障。
（1）位于此指令前的所有显式内存访问均完成。
（2）位于此指令前的所有缓存、跳转预测和 TLB 维护操作全部完（ 注意:cache/TLB/branch的维护操作如果广播，那么要等待广播的完成）。
ISB – Instruction Synchronization Barrier：指令同步屏障。确保提取时间晚于 ISB 指令的指令能够检测到 ISB 指令执行前就已经执行的上下文更改操作的执行效果。

barries限定符

Load-Load/store：表示barries仅影响load，所有在barries之后的load/store，必须等待barries之前的load
Store-Store：表示barries仅影响store
Any-Any：表示既影响store，也影响load

one-way barries

LDR：后面的指令不能跑前面去，但是前面指令可以去后面，是单向的。
STR：前面的指令不能跑后面去，但是后面的指令可以去前面

ISB

Context‐changing 操作：
• Cache、TLB、分支预测维护操作
• 系统寄存器的改变(如 SCTLR_EL1,TCR_EL1、TTBRn_EL1…)

Context‐changing只有在下面事件之后才会被确认:
• taking一个异常
• 退出一个异常
• ISB

Instruction Synchronization Barrier (ISB)
• 确保ISB之后的指令 可以看到 ISB之前的Context‐changing
• 确保ISB之后的Context‐changing，仅影响ISB之后的指

内存属性：Device memory

Device-nGnRnE : 处理器必须严格按照代码中内存访问来进行、必须严格执行program order(无需重排序)、写操作的ack必须来自最终的目的地
Device-nGnRE : 处理器必须严格按照代码中内存访问来进行、必须严格执行program order(无需重排序)、写操作的ack可以来自中间的write buffer
Device-nGRE : 处理器必须严格按照代码中内存访问来进行、内存访问指令可以进行重排、写操作的ack可以来自中间的write buffer
Device-GRE : 处理器对多个memory的访问是否可以合并、内存访问指令可以进行重排、写操作的ack可以来自中间的write buffer
➨Gathering和non Gathering(G or nG)：表示对多个memory的访问是否可以合并，如果是nG，表示处理器必须严格按照代码中内存访问来进行，不能把两次访问合并成一次。例如：代码中有2次对同样的一个地址的读访问，那么处理器必须严格进行两次read transaction
➨Reordering(R or nR)：表示是否允许处理器对内存访问指令进行重排。nR表示必须严格执行program order
➨Early Write Acknowledgement(E or nE)：PE访问memory是有问有答的（更专业的术语叫做transaction），对于write而言，PE需要write ack操作以便确定完成一个write transaction。为了加快写的速度，系统的中间环节可能会设定一些write buffer。nE表示写操作的ack必须来自最终的目的地而不是中间的write buffer

ARM架构中的寄存器

**寄存器的分类：**通用寄存器，状态寄存器，控制寄存器，特殊用途寄存器，系统寄存器。在 ARM 架构中，寄存器是 CPU 内部用于存储数据、地址和状态信息的关键组件。

通用寄存器

通用寄存器是一组用于存储数据和地址的寄存器。在 ARM 架构的不同版本中，这些寄存器的数量和命名有所不同。
R0-R15 (R0-R14 + PC):
在 ARMv7 和之前的版本中，有 16 个通用寄存器，编号从 R0 到 R15。
R0 到 R14 用于存储数据和地址。
R15 通常被称为程序计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。
X0-X30 (X0-X29 + SP):
在 ARMv8 和之后的版本中，有 31 个通用寄存器，编号从 X0 到 X30。
X0 到 X29 用于存储数据和地址。
X30 通常被称为链接寄存器（LR），用于保存返回地址。
X31 通常被称为堆栈指针（SP），用于管理堆栈。

状态寄存器

状态寄存器用于存储 CPU 的状态信息，例如标志位、中断使能状态等。
Program Status Register (PSR):
PSR 是 ARM 架构中的一个重要的状态寄存器，包含了多个子寄存器，用于存储 CPU 的状态信息。
PSR 包括：
Application Program Status Register (APSR): 用于存储条件码标志位（如 N、Z、C、V 等）。
Implementation-defined Program Status Register (IPSR): 用于指示当前正在处理的中断。
Program Status Register (EPSR): 用于存储控制位，如中断使能位。

IPSR 用于指示当前正在处理的中断。
当 CPU 正在处理中断时，IPSR 中包含了中断的编号
当没有正在处理的中断时，IPSR 的值为 0。

I (Interrupt Disable): 如果置位，则禁用所有中断。
F (Fast Interrupt Disable): 如果置位，则禁用快速中断。

N (Negative): 如果最近的算术运算结果的最高位为 1，则置位。
Z (Zero): 如果最近的算术运算结果为 0，则置位。
C (Carry): 如果最近的算术运算产生了进位，则置位。
V (Overflow): 如果最近的算术运算产生了溢出，则置位。

控制寄存器

控制寄存器用于控制 CPU 的行为，如中断控制、调试控制等。
Control Register (CTRL): 用于控制某些 CPU 特性，如是否启用调试模式等。
Auxiliary Control Register (ACTLR): 用于控制辅助特性，如性能监控单元（PMU）等

特殊用途寄存器

除了通用寄存器和状态寄存器之外，ARM 架构还包括一些特殊用途的寄存器。

Stack Pointer (SP): 用于管理堆栈，通常映射到通用寄存器 X31/R13。
Link Register (LR): 用于保存返回地址，通常映射到通用寄存器 X30/R14。
Program Counter (PC): 用于存储下一条指令的地址，通常映射到通用寄存器 X15/R15。
System Register (SYSREG): 用于控制和监视 CPU 的各种特性和状态，如中断控制、缓存控制等。

SP 用于指示当前堆栈的顶部位置。
在函数调用期间，参数、局部变量以及返回地址都会被压入堆栈。
SP 的值会随着堆栈操作的变化而更新。

ARMv7 架构中的寄存器

在 ARMv7 架构中，有 16 个通用寄存器，编号从 R0 到 R15。这些寄存器主要用于存储数据、地址以及程序计数器等。

R0-R14:这些寄存器可以用于存储数据、地址等。它们在函数调用和数据处理中非常有用。
R0 到 R3 通常用于函数调用中的参数传递。
R4 到 R11 通常用于局部变量或函数内部使用的寄存器。
R12 通常用作临时寄存器或用于保存跨函数调用的数据。
R13 通常称为堆栈指针（SP），用于管理堆栈。
R14 通常称为链接寄存器（LR），用于保存返回地址。
R15 (PC):R15 通常称为程序计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。

ARMv8 架构中的寄存器

在 ARMv8 架构中，通用寄存器的数量增加到了 31 个，编号从 X0 到 X30。此外，还引入了 32 位和 64 位寄存器的区分，分别称为 X 寄存器和 W 寄存器。

X0-X29:这些寄存器可以用于存储数据、地址等。它们在函数调用和数据处理中非常有用。
X0 到 X3 通常用于函数调用中的参数传递。
X4 到 X29 通常用于局部变量或函数内部使用的寄存器。
X30 通常称为链接寄存器（LR），用于保存返回地址。
X31 通常称为堆栈指针（SP），用于管理堆栈。
W0-W29:这些寄存器是 X0 到 X29 的低 32 位版本，用于兼容 32 位应用。