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为什么AArch64没有LDM和STM指令

为什么AArch64没有LDM和STM指令

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主要介绍为什么AArch64没有LDM和STM指令了，而是用LDP跟STP。

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写在前头

AArch32 指令集中包含多数据传输指令LDM、STM，也就是单条指令可以传输多个寄存器的值与内存交互，这对于发生异常时将当前寄存器压入栈很有用，通过单条指令STM可以实现此操作，出栈时同样使用LDM即可。但是到了AArch64里面就取消了多数据传输指令LDM、STM，而是使用LDP和STP，固定的一次最多只能取2个值。原因如何呢？请看下文。

关于CPU内部微操作的拆分

对于复杂功能指令的实现，出于指令功能复杂以及读取和写回寄存器端口资源的限制，CPU内部会对指令进行微操作拆分。比如CPU内部流水线中单拍最多读取3个64bit寄存器和写回两个64bit寄存器，对于LDM和STM这种多数据传输操作，实际在CPU执行过程中会进行微操作的拆分。换句话说，LDM和STM只不过是对多个LD和ST的打包，在CPU里还是分多条微操作执行，LDM和STM指令除了方便软件工程师使用，而对CPU并没有提高执行效率。既然可以方便软件工程师使用，毕竟还是有利的，那为什么在AArch64还是取消了该指令呢？继续看下文。

CPU对LD和ST的操作

当前CPU的LD和ST，大多分为两个独立的流水线，也就是说配合多发射就可能在一个cycle内同时执行两条（一个ldr、一个str）指令。这里如果执行一条LDM，会使LD Pipe处于持续工作状态，而ST Pipe是空闲状态，执行一条STM情况类似。所以为了最大化利用LD和ST独立流水线的特性，在软件使用层面上，应尽量减少这种突发的多LD和多ST事件，而使用间隔的LD和ST可以利用双pipeline实现该两条指令并发执行，提高执行效率。所以，也就没有LDM和STM指令的必要性了。

LDP/STP

  • 32bit模式下也是有LDRD跟STD指令的，但是在64bit模式下任意的两个整型寄存器都是可以读或者写的
  • 数据的读写是内存里面的连续位置的
  • 地址模式更严格：只能base + offset的模式进行访存，offset范围是正负127范围（7bit）
  • 与32bit的LDRD跟STD指令不同的是：64bit模式下支持非对齐访问
  • LDP是支持SIMD
  • 详细信息请看ARM手册。

LDNP/STNP

  • LDNP跟STNP是Armv8才有的机制，non-temporal代表读取的数据是不会存保存到cache。比如我只要2byte的数据，通常系统会加载1个cache line进来，但是使用LDNP指令，系统不会加载整个cache line进了，而是只加载2byte，从而减少总线流量，进而可能减少取数据的时间。因此LDNP这种指令只适合读取数据量少且不常访问的情况。
  • non-temporal加载和存储能够放松对访存顺序的要求，LDNP可能比LDR要提前执行（因为LDNP不需要进行cache line fill操作，而是流式读），但是这样顺序错了，因此要加barriar来保证执行顺序。（如果两个内存读之间存在地址依赖关系,第二个读指令是LDNP产生的，然后在没有任何其他屏障机制来保证顺序的情况下，这个可能就会乱序执行的！）
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//错误的用法
LDR x0, [x3]
LDNP x2, x1, [x0]

//正确用法
LDR x0, [x3]
DSB nshld
LDNP x2, x1, [x0]
  • 简单理解就是：LDNP指令会告诉memory子系统，我是流式访存，这个数据我暂时只用一次，因此不用读取至cache。

总结

  • 在Arm v8-A架构里面因为有两个分别独立的ld、st pipeline，因此交叉使用LDP、STP指令可以并行使用pipeline，增大吞吐（因为armv7一般是单个加载存储单元，因此LDM、STM更有效）
  • LDNP、STNP是流式处理数据的，不会进行cache line fill操作，因此适合少量数据处理的情形，减少总线流量，比如堆栈恢复的时候，堆栈就几个字节的数据，常规操作是要加载一个cache line，不仅占用cahche空间，还增大总线流量，因此用LDNP更有效，不过在与LDR存在依赖时，要使用数据隔离。

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