ARM 匯編 LDR 指令與 LDR 偽指令深度辨析：加載立即數、地址、標號的區別與編碼實現

核心結論先行

一、ARM 載存架構背景

ARM 是 RISC (Load/Store 架構)：

• 數據處理指令（ADD、AND、MOV 等）只能操作寄存器。
• 內存與寄存器交互只能通過 LDR/STR。
• 這與 x86 CISC 的 MOV EAX, [0x1234] 直接內存操作截然不同。

二、LDR 指令：真正的內存讀取

LDR R0, [R1, #0x10]   ; R0 = *(R1 + 0x10)  基址+偏移
LDR R0, [R1, R2, LSL #2] ; R0 = *(R1 + R2*4) 比例索引
LDR R0, =0x12345678   ; 這是偽指令！見下文

LDR 指令不直接支持 32 位立即數作為地址，地址必須在寄存器中（PC 相對、基址寄存器、或通過偽指令預載入）。

三、LDR 偽指令：裝載 32 位常數的神器

3.1 語法：LDR Rd, =expr

expr 可以是：

• 32 位立即數：LDR R0, =0x12345678
• 標號地址：LDR R0, =_start
• 表達式：LDR R0, =buffer+4

3.2 編譯器優化策略

1. 值可用 MOV/MVN 編碼（8 位循環右移）：直接生成 MOV Rd, #imm 或 MVN Rd, #imm。
   例：LDR R0, =0x10 → MOV R0, #0x10
2. 值不可用 MOV 編碼：將常數放入字面量池，生成 PC 相對寻址的 LDR 指令 從池中讀取。
   例：LDR R0, =0x12345678 → 字面量池存 0x12345678 → LDR R0, [PC, #offset_to_pool]

3.3 字面量池

• 編譯器在代碼段插入數據區，存放偽指令需載入的常數。
• 通常放在函數末尾、區塊結束處，由 LTORG 指令顯式控制位置。
• PC 相對偏移範圍：±4KB (ARM) / ±1MB (Thumb-2)。超出需手動 LTORG 分池。

四、ADR/ADRL/LDR/MOV 地址加載對比

關鍵差異：ADR vs LDR =label

ADR R0, _start     ; R0 = PC + offset_to_start (相對地址，運行時 PC 相關)
LDR R0, =_start    ; R0 = _start 的鏈接時絕對地址 (需字面量池存儲 32 位地址)

若代碼運行地址 = 鏈接地址（非 PIC），兩者結果相同。若為位置無關代碼 (PIC) 或動態加載，ADR 給出正確相對地址，LDR= 給出鏈接時固定地址（可能錯誤）。

五、實戰案例

5.1 加載外設基址

; GPIO 基址 0x20200000，超出 MOV 范圍
LDR R0, =0x20200000  ; 偽指令 → 字面量池 + PC 相對 LDR
STR R1, [R0, #0x14]  ; 設置 GPIO 輸出

5.2 獲取函數地址調用

LDR R0, =my_function  ; 獲取絕對地址
BLX R0                ; 跳轉調用（支持 Thumb/ARM 切換）

5.3 字面量池溢出處理

; 大量 LDR= 導致池超出 ±4KB
LDR R0, =const1
...
LDR R1, =const100
LTORG                 ; 強制在這裡生成字面量池，防止後續引用超範圍
LDR R2, =const101

六、常見誤區

1. 以為 LDR 指令能直接寫 32 位立即數：LDR R0, 0x12345678 是語法錯誤，必須 LDR R0, =0x12345678 (偽指令) 或先載入寄存器 LDR R0, [PC, #offset]。
2. 忽略字面量池位置：導致「offset out of range」編譯錯誤，需插入 LTORG。
3. 混淆 ADR 和 LDR=：ADR 適合同段近跳，LDR= 適合跨段、需絕對地址、或作為函數指針。
4. 以為 MOV 能載入任意 32 位值：MOV 只能編碼 8 位循環右移常數（如 0xFF、0xFF00、0xABCDEF00 循環右移後可編碼）。

七、總結

• LDR 指令 = 內存讀取，地址來自寄存器（含 PC 相對）。
• LDR 偽指令 = 載入 32 位常數/地址到寄存器，編譯器自動選擇 MOV/MVN 或 字面量池+LDR。
• ADR/ADRL = 計算 PC 相對偏移，生成 ADD/SUB 指令序列，適用同代碼段標號。
• 選擇原則：小常數用 MOV，同段標號用 ADR/ADRL，跨段/絕對地址/大常數用 LDR=。