AArch64内存访问：加载与存储的高效艺术


参考资源链接：[全面解析：aarch64 汇编指令集，含 SIMD、SVE、SME](https://wenku.csdn.net/doc/5gjb0anj2s?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. AArch64架构简介

## 1.1 架构概述
AArch64架构，也被称为ARMv8-A架构，是ARM公司在2011年推出的64位处理器架构，标志着ARM架构由32位向64位的跃进。该架构不仅向下兼容原有的32位ARM指令集，还新增了64位指令集，为现代计算设备提供了更强的处理能力和更大的地址空间。AArch64广泛应用于高性能服务器、智能手机、平板电脑等多种设备，成为当前IT行业硬件开发的重要参考标准。

## 1.2 核心特性
AArch64架构支持EExecute-Ahead（执行前预取）和Large Physical Address Extension（大物理地址扩展）等新特性，大大增强了处理器的性能和可扩展性。同时，架构引入了新的异常等级 EL0 到 EL3，支持虚拟化技术，优化了操作系统和应用程序的性能。此外，AArch64新增的NEON技术，在处理多媒体和信号处理任务时，能提供显著的性能提升。

## 1.3 应用场景
AArch64架构的应用场景非常广泛，既包括高性能计算和数据中心领域，也包括嵌入式设备和物联网设备。得益于其低功耗、高性能的特点，AArch64架构在移动设备市场占据了一席之地。同时，由于其架构的开放性和灵活性，AArch64也被用于教学和研究目的，为开发者提供了一个强大的平台去探索和实现创新的计算解决方案。

# 2. AArch64内存访问基础

## 2.1 内存模型与地址空间

### 2.1.1 AArch64的内存分段

AArch64架构采用一种灵活的内存分段策略，它允许操作系统根据不同的需求为不同的程序或数据区域分配适当的内存保护和访问权限。在AArch64中，内存被分为若干段（Segments），包括代码段、数据段、堆栈段和用户定义的其他段。每个段都有其特定的作用和属性，例如：

- 代码段（Text Segment）：存储程序的指令代码，通常不可写，但可执行。
- 数据段（Data Segment）：包含已初始化的全局变量和静态变量，此段可读写。
- 堆栈段（Stack Segment）：动态存储局部变量、函数参数和返回地址，可读写且支持自增自减操作。

内存分段的实现依赖于段寄存器，例如，在AArch64中，可以利用特定的系统寄存器（如TTBR0和TTBR1）进行段的定位和属性定义。这涉及到页表的使用，页表中记录了各个段的起始地址、大小和属性等信息。

### 2.1.2 虚拟地址与物理地址转换

为了实现内存的虚拟化，AArch64使用了虚拟地址和物理地址分离的机制。应用程序操作的是虚拟地址，而CPU访问物理内存时需要通过内存管理单元（MMU）将虚拟地址转换为物理地址。这一转换过程遵循一定的映射规则，通常基于分页机制。AArch64支持二级页表（L1 和 L2）结构，其中包括以下概念：

- 页（Page）：虚拟内存和物理内存的最小单位，例如AArch64支持4KB和16KB大小的页。
- 页表（Page Table）：存储页的映射关系，每个页表项（PTE）包含了对应的虚拟页号到物理页帧号的映射。

当CPU执行内存访问指令时，MMU首先查找L1页表找到对应的L2页表，再在L2页表中查找实际的物理地址。如果页表项不存在（即发生页面错误），操作系统会介入处理，可能涉及加载缺失的页到物理内存中。

graph LR
A[虚拟地址] -->|MMU转换| B[物理地址]
B --> C[物理内存]
A -->|处理器| D[页表项查找]
D -->|页表项不存在| E[操作系统处理]
E --> F[页面错误处理]

## 2.2 加载与存储指令集

### 2.2.1 基础加载和存储操作

AArch64提供了多种加载和存储指令用于访问内存，这些指令分为两类：基础指令和高级指令。基础加载和存储指令集允许处理器从内存读取数据到寄存器或将寄存器的数据写入内存，常见的操作如下：

- LDUR：加载未对齐的字到寄存器。
- LDR：加载对齐的字到寄存器。
- STR：存储字从寄存器到内存。

这些操作可使用不同的寻址模式，例如立即数偏移、寄存器偏移等。对于加载指令，还提供了条件执行的选项，如仅当某个条件满足时才执行加载操作。

LDUR X0, [X1, #0x4]  ; 将X1指向地址加上0x4的值加载到X0寄存器
STR X0, [X2, X3]     ; 将X0寄存器的值存储到X2指向的地址，偏移量由X3寄存器提供

### 2.2.2 高级加载和存储指令

AArch64也包含一些高级加载和存储指令，它们支持原子操作、同步访问内存和向量化操作。原子操作确保了在多核环境下数据的一致性，常见的高级指令包括：

- LDAXR：原子加载并交换。
- STXR：条件存储，仅当条件满足时才将数据存储到内存。

这些高级指令通常用于实现复杂的同步机制和优化数据访问操作，例如在实现锁机制和信号量时非常有用。

LDAXR X0, [X1]   ; 原子加载地址X1处的数据到X0，并将X1地址标记为最新
STXR X2, X0, [X1] ; 尝试将X0寄存器的数据存储到X1指向的地址，如果成功则返回1并更新X2寄存器

## 2.3 访问权限和内存屏障

### 2.3.1 内存访问权限控制

内存访问权限控制确保了内存区域不会被未授权的访问。在AArch64中，操作系统通过设置页表项的权限位来控制对内存的读写执行权限。这些权限位决定了页的访问规则，比如：

- R (Read)：页是否可读。
- W (Write)：页是否可写。
- X (Execute)：页是否可执行。

每个权限位的设置由操作系统管理，操作系统可以根据不同的需求和安全策略进行配置。例如，代码段通常设置为可执行但不可写，而数据段则设置为可读写但不可执行。

### 2.3.2 内存屏障的使用与优化

内存屏障（Memory Barrier）是一种特殊的指令，用于控制内存访问的顺序，确保在多处理器系统中数据的一致性。内存屏障指令通常分为两类：

- DMB (Data Memory Barrier)：数据内存屏障，确保屏障前的内存访问在屏障后的访问之前完成。
- DSB (Data Synchronization Barrier)：数据同步屏障，等待之前的存储操作完成。

这些指令在多线程和多核心环境下非常重要，可以帮助避免竞态条件和内存不一致的问题。

DMB SY     ; 全局数据内存屏障，等待所有之前存储操作完成
DSB SY     ; 全局数据同步屏障，立即完成所有之前的存储操作

sequenceDiagram
    participant CPU1
    participant CPU2
    CPU1->>CPU2: Load X1
    Note right of CPU2: Memory Barrier
    CPU2->>CPU1: Load X2
    CPU1->>CPU2: Store X3
    CPU2->>CPU1: Load X4
    Note left of CPU1: Memory Barrier
    CPU1->>CPU2: Store X5

在实现锁、信号量和同步机制时，内存屏障确保了正确的执行顺序，避免了由于编译器优化和处理器乱序执行导致的数据不一致问题。在编写并发代码时，正确使用内存屏障可以显著提升系统的稳定性和性能。

# 3. 内存访问的性能优化

内存访问性能优化是提升系统整体运行效率的核心环节。在AArch64架构下，合理的内存访问优化不仅能够减少延迟，还能提高带宽利用率，从而带来显著的性能提升。本章节将深入探讨内存对齐与缓存优化、预取技术以及并发与同步机制等三个主要方面。

## 3.1 对齐与缓存优化

### 3.1.1 数据对齐的原理与实践

内存对齐是优化内存访问的关键手段之一。在AArch64架构中，CPU访问内存时，硬件通常会以数据对齐的方式来访问数据，不对齐的数据访问会导致CPU效率下降。例如，如果一个数据类型为64位的整数没有对齐到8字节边界，那么处理器可能需要两次内存访问来获取这个数据。

在实践中，开发者需要确保关键数据的对齐。例如，使用C语言时，可以利用编译器的属性指令来强制数据对齐：

typedef struct {
    int32_t a; // 4-byte align
    double b;  // 8-byte align
} MyData;

__attribute__((aligned(8))) MyData data;

在这个例子中，`__attribute__((aligned(8)))`指令确保`MyData`类型的变量在内存中始终从8字节对齐的地址开始。

### 3.1.2 缓存优化策略

缓存是计算机系统中用于减少处理器访问主存次数的高速存储设备。合理使用缓存能够大幅提高内存访问速度。以下是一些常见的缓存优化策略：

- **局部性原理**：根据时间局部性和空间局部性原理，将经常一起访问的数据存放在连续的内存位置，从而提高缓存命中率。
- **缓存行填充**：在加载数据到缓存时，一次性加载整个缓存行，避免多个小块数据加载导致的行替换问题。
- **缓存行对齐**：保证数据结构的对齐以适应缓存行的大小，减少缓存行伪共享的问题。

#define CACHE_LINE_SIZE 64  // 假设缓存行大小为64字节

typedef struct {
    char data[