# arm64_programming_practice

**Repository Path**: longlongint/arm64_programming_practice

## Basic Information

- **Project Name**: arm64_programming_practice
- **Description**: 《ARM64体系结构编程与实践》一书 配套实验参考代码
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 32
- **Created**: 2026-06-28
- **Last Updated**: 2026-07-06

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README



### 本地资料路径:
F:\baiduDownload\奔跑吧Linux合集  4季+死机专题+vim+git\奔跑吧Linux合集 4季+死机专题+vim+git视频\第3季 ARM64体系结构与编程

F:\baiduDownload\奔跑吧Linux合集  4季+死机专题+vim+git\奔跑吧Linux合集资料\第3季Arm配套资料\芯片手册\芯片原版

## 1. A64指令介绍
1. A64 指令集只能运行在aarch64环境中
2. 所有A64汇编指令都是32bits宽

表C1-2 通用寄存器、零寄存器以及栈指针命名
| 名称 | 位宽 | 编码值 | 说明 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| Wn | 32位 | 0~30 | 0~30号通用寄存器 |
| Xn | 64位 | 0~30 | 0~30号通用寄存器 |
| WZR | 32位 | 31 | 零寄存器 |
| XZR | 64位 | 31 | 零寄存器 |
| WSP | 32位 | 31 | 当前栈指针 |
| SP | 64位 | 31 | 当前栈指针 |

### 补充说明(AArch64架构特性)
编码`31`是复用编码:CPU会根据指令上下文自动区分,该编码代表零寄存器(XZR/WZR)或是栈指针(SP/WSP);
- 以`W`开头 = 访问寄存器低32位;以`X`开头 = 访问完整64位寄存器;
- 零寄存器只读,读取永远得到数值0,写入操作无效;栈指针专门用于管理程序栈内存. 

## A64指令分类
- 内存加载和存储指令
- 多字节内存加载和存储
- 算术和移位指令
- 移位操作
- 位操作指令
- 条件操作
- 跳转指令
- 独占访存指令
- 内存屏障指令
- 异常处理指令
- 系统寄存器访问指令

---

# 1. ldr指令和str指令
ARMv8架构也是基于指令加载和存储的架构(Load/Store Architecture)

加载/存储指令格式:
1. LDR 目标寄存器, <存储器地址> //把存储器地址的数据加载到目标寄存器中
2. STR 源寄存器, <存储器地址> //把源寄存器的值存储到存储器中

### 简要释义
- LDR(Load):读内存,将内存指定地址的数据读取放入寄存器
- STR(Store):写内存,将寄存器里的数据写入内存指定地址
这是ARM典型Load/Store架构的核心访存指令,运算指令只能操作寄存器,不能直接读写内存. 


---

## 一、后变址寻址(Post-index)
### 指令位域划分(位31~0)
![](./images/post-index.png)

### 32位版本
触发条件:`size` 字段 = 二进制 `10`

汇编格式:<br>
`LDR <Wt>, [<Xn|SP>], #<simm>`

### 64位版本
触发条件:`size` 字段 = 二进制 `11`

汇编格式:<br>
`LDR <Xt>, [<Xn|SP>], #<simm>`

### 该编码全部变体的解码逻辑
```
布尔变量 wback = 真;
布尔变量 postindex = 真;
整型 scale = size 字段转为无符号整数;
64位偏移量 offset = 将imm9字段符号扩展至64位;
```

![](./images/practice-str.png)

---

## 二、前变址寻址(Pre-index)
### 指令位域划分(位31~0)
![](./images/pre-index.png)

### 32位版本
触发条件:`size` 字段 = 二进制 `10`
汇编格式:<br>
`LDR <Wt>, [<Xn|SP>, #<simm>]!`

### 64位版本
触发条件:`size` 字段 = 二进制 `11`
汇编格式:<br>
`LDR <Xt>, [<Xn|SP>, #<simm>]!`

### 该编码全部变体的解码逻辑
```
布尔变量 wback = 真;
布尔变量 postindex = 假;
整型 scale = size 字段转为无符号整数;
64位偏移量 offset = 将imm9字段符号扩展至64位;
```


## 三、无符号偏移寻址模式(Unsigned offset)
### 指令二进制位域划分(位31~0)
![](./images/unsignedOffset.png)

#### 32位版本
生效条件:`size = 二进制10`

汇编格式:
`LDR <Wt>, [<Xn|SP>{, #<pimm>}]`

#### 64位版本
生效条件:`size = 二进制11`

汇编格式:
`LDR <Xt>, [<Xn|SP>{, #<pimm>}]`

#### 该编码所有变体的解码逻辑
```
布尔变量 wback = 假;
布尔变量 postindex = 假;
整型 scale = 将size字段解析为无符号整数;
64位偏移量 offset = 对imm12做零扩展至64位后,再逻辑左移scale位;
```

### 所有编码通用注释
关于本条指令**受限型不可预知行为**的相关说明,请查阅附录K1《不可预知行为的架构约束》,具体可参考K1-7864页中`LDR (immediate)`章节. 

### 汇编符号说明
| 符号 | 释义 |
|------|------|
| `<Wt>` | 待传输数据的32位通用寄存器名,编码存放于Rt字段 |
| `<Xt>` | 待传输数据的64位通用寄存器名,编码存放于Rt字段 |
| `<Xn\|SP>` | 64位基址通用寄存器 或 栈指针SP,编码存放于Rn字段 |
| `<simm>` | 带符号字节偏移立即数,取值范围 -256 ~ 255,编码存放于imm9字段 |
| `<pimm>` | 32位指令版本:可选正字节偏移立即数,必须是4的倍数,范围0~16380,默认值0;存入imm12时实际存储值为 `<pimm>/4`<br>64位指令版本:可选正字节偏移立即数,必须是8的倍数,范围0~32760,默认值0;存入imm12时实际存储值为 `<pimm>/8` |

### 所有编码共用解码流程
```
整型 n = 将Rn解析为无符号整数;
整型 t = 将Rt解析为无符号整数;
整型 regsize;

// 判定目标寄存器位宽
regsize = 若 size == 二进制'11' 则为64,否则为32;
整型 datasize = 8 左移 scale 位;
布尔变量 tag_checked = (wback为真) 或 (n不等于31);
```

### 所有编码共用操作逻辑
```
if (开启MTE内存标签扩展功能) then
    设置本条指令为标签检查类指令(tag_checked);

定义64位变量 address;
定义datasize位变量 data;

布尔变量 wb_unknown = 假;

// 判定写回冲突场景:源基址与目标寄存器相同、且Rn不是31
if (wback为真 且 n == t 且 n != 31) then
    c = 约束不可预知行为判定();
    // 判定结果仅能为以下四类
    assert c 属于 {约束_写回屏蔽, 约束_未知, 约束_未定义, 约束_NOP空操作};
    匹配c的分支:
        当 约束_写回屏蔽:wback = 假;        // 屏蔽寄存器自动写回
        当 约束_未知:wb_unknown = 真;       // 写回行为结果未知
        当 约束_未定义:触发未定义指令异常;
        当 约束_NOP空操作:指令直接结束;

// 如果基址是栈指针SP(Rn编号=31)
if (n == 31) then
    检查栈指针对齐合法性();
    address = SP寄存器的值;
else
    address = X[n]寄存器的值;

// 非后变址模式:先预计算有效地址
if (postindex为假) then
    address = address + offset;

// 从内存读取指定长度数据
data = 内存[address, 字节长度=datasize/8, 普通访问类型];
// 将读取数据零扩展后写入目标寄存器
X[t] = 对data做零扩展至regsize位;

// 处理基址寄存器写回逻辑
if (wback为真) then
    if (wb_unknown为真) then
        address = 64位未知值;
    elseif (postindex为真) then
        address = address + offset;
    
    // 写回更新基址/栈指针
    if (n == 31) then
        SP = address;
    else
        X[n] = address;
```

### 运行特性说明
若程序状态寄存器位`PSTATE.DIT = 1`,本条指令的执行耗时**不会随加载/存储的数据内容发生变化**(数据独立时序,抵御时序侧信道攻击). 


## 四. 字面量寻址模式 LDR 指令(LDR (literal))
### 指令概述
**寄存器加载指令(字面量寻址)**:该指令利用程序计数器PC的值加上立即偏移量算出内存地址,从对应内存读取一个字数据,写入目标寄存器. 关于内存访问的相关说明,可查阅C1-189页《加载/存储寻址模式》章节. 

### 指令二进制位域(位31~0)
![](./images/ldr-iteral.png)

#### 32位版本
生效条件:`opc == 00`

汇编格式:`LDR <Wt>, <label>`

#### 64位版本
生效条件:`opc == 01`

汇编格式:`LDR <Xt>, <label>`

### 该编码所有变体的解码逻辑
```css
integer t = UInt(Rt);
MemOp memop = MemOp_LOAD;
boolean signed = FALSE;
integer size;
bits(64) offset;

case opc of
when '00'
    size = 4;
when '01'
    size = 8;
when '10'
    size = 4;
    signed = TRUE;
when '11'
    memop = MemOp_PREFETCH;

offset = SignExtend(imm19:'00', 64);
```

### 汇编符号说明
- `<Wt>`:用于存放读取数据的32位通用寄存器,编码存放在Rt字段. 
- `<Xt>`:用于存放读取数据的64位通用寄存器,编码存放在Rt字段. 
- `<label>`:要读取数据对应的程序标签;该标签相对于本条指令地址的偏移范围为±1MB,存入imm19字段时实际存储值为总偏移除以4. 

### 指令运算逻辑
```css
bits(64) address = PC[] + offset;
bits(size*8) data;

if HaveMTEExt() then
    SetTagCheckedInstruction(FALSE);
case memop of
```


---

### 分支执行逻辑
```css
when MemOp_LOAD
    data = Mem[address, size, AccType_NORMAL];
    if signed then
        X[t] = SignExtend(data, 64);
    else
        X[t] = data;

when MemOp_PREFETCH
    Prefetch(address, t<4:0>);
```

### 运行特性说明
若程序状态寄存器标志位 `PSTATE.DIT = 1`,本条指令的执行耗时不会随被加载、存储的数据内容产生变化(数据独立时序设计,用于抵御时序侧信道攻击). 

#### 补充原理小结
该指令属于**PC相对寻址**,专门用来读取代码段附近常量池里的数据,寻址范围受imm19限制,整体寻址区间为±1MB,寻址过程不会修改任何通用寄存器. 


## 寄存器索引寻址 LDR 指令(LDR (register))
### 指令概述
寄存器加载指令(寄存器索引寻址):该指令利用**基址寄存器值 + 偏移寄存器值**计算内存地址,从内存读取一个字数据并写入目标寄存器;偏移寄存器的值可按需配置移位、符号/零扩展. 关于内存访问相关说明,可查阅C1-189页《加载/存储寻址模式》章节. 

### 指令二进制位域(位31~0)
![](./images/ldr-register.png)

#### 32位版本
生效条件:`size == 二进制10`

汇编格式:
`LDR <Wt>, [<Xn|SP>, (<Wm>|<Xm>){, <extend> {<amount>}}]`

#### 64位版本
生效条件:`size == 二进制11`

汇编格式:
`LDR <Xt>, [<Xn|SP>, (<Wm>|<Xm>){, <extend> {<amount>}}]`

#### 该编码所有变体的解码逻辑
```
integer scale = UInt(size);
if option<1> == '0' then UNDEFINED;    // sub-word index
ExtendType extend_type = DecodeRegExtended(option);
integer shift = if S == '1' then scale else 0;
```

### 汇编符号说明
- `<Wt>`:存放读取数据的32位通用寄存器,编码存放于`Rt`字段. 
- `<Xt>`:存放读取数据的64位通用寄存器,编码存放于`Rt`字段. 
- `<Xn|SP>`:64位基址通用寄存器或栈指针SP,编码存放于`Rn`字段. 
- `<Wm>`:当`option`最低位为0时,代表32位索引寄存器,编码存放于`Rm`字段. 
- `<Xm>`:当`option`最低位为1时,代表64位索引寄存器,编码存放于`Rm`字段. 

`<extend>`:索引寄存器扩展/移位修饰符,默认类型为LSL(逻辑左移);若选择LSL且省略`<amount>`,该修饰符自身也可省略. 该字段编码在`option`位域,可选取值:
- `UXTW`:对应 option = 010
- `LSL`:对应 option = 011
- `SXTW`:对应 option = 110
- `SXTX`:对应 option = 111

`<amount>`
32位指令版本:索引移位位数;仅当`<extend>`不是LSL时该参数可选,允许省略时默认值为`#0`,编码存放于`S`位域,取值规则:
- `#0`:S = 0
- `#2`:S = 1

64位指令版本:索引移位位数;仅当`<extend>`不是LSL时该参数可选,允许省略时默认值为`#0`,编码存放于`S`位域,取值规则:
- `#0`:S = 0
- `#3`:S = 1

### 所有编码共用解码逻辑
```
integer n = UInt(Rn);
integer t = UInt(Rt);
integer m = UInt(Rm);
integer regsize;

regsize = if size == '11' then 64 else 32;
integer datasize = 8 << scale;
```

### 指令运算逻辑
```
bits(64) offset = ExtendReg(m, extend_type, shift);
if HaveMTEExt() then
    SetTagCheckedInstruction(TRUE);

bits(64) address;
bits(datasize) data;

if n == 31 then
    CheckSPAlignment();
    address = SP[];
else
    address = X[n];

address = address + offset;

data = Mem[address, datasize DIV 8, AccType_NORMAL];
X[t] = ZeroExtend(data, regsize);
```

### 运行特性说明
若程序状态寄存器标志位`PSTATE.DIT = 1`,本条指令的执行耗时不会随被加载、存储的数据取值发生变化. 

### 加载和存储指令变种
| 指令   | 说明                                   |
| ------ | -------------------------------------- |
| LDR    | 数据加载指令                           |
| LDRSW  | 有符号的数据加载指令，大小为字（word） |
| LDRB   | 数据加载指令，大小为字节               |
| LDRSB  | 有符号的加载指令，大小为字节           |
| LDRH   | 数据加载指令，大小为半字（Halfword）   |
| LDRSH  | 有符号的数据加载指令，大小为半字（Halfword） |
| STRB   | 数据存储指令，大小为字节               |
| STRH   | 数据存储指令，大小为半字               |