LDUR / LDXR 계열 명령어 — Load 명령어군 정리

Summary

분류 안내: LDUR과 LDXR은 완전히 다른 목적의 명령어군임. LDUR은 주소 지정 방식(addressing mode)의 특수 형태이고, LDXR은 배타적 접근(exclusive access)을 위한 동기화 명령어임. 함께 놓치기 쉬운 관련 명령어들도 모두 정리함.

LDUR

Load Register Unscaled

정의: 오프셋에 스케일링을 적용하지 않는(unscaled) 기본 로드 명령어. 일반적인 LDR과 기능은 유사하나 오프셋 인코딩 방식이 다름.

LDR vs LDUR — 오프셋 방식의 차이

LDR (Scaled, Unsigned Offset):

LDR Xt, [Xn, #imm]

오프셋이 접근 크기(access size)의 배수로 자동 스케일링됨
64비트 로드 시 오프셋은 내부적으로 8배수 단위로 해석 (0, 8, 16, 24…)
항상 양수(unsigned) 오프셋만 가능
범위: 0 ~ 32760 (8바이트 단위 × 4095)

LDUR (Unscaled, Signed Offset):

LDUR Xt, [Xn, #imm]

오프셋이 스케일링 없이 바이트 단위 그대로 적용됨
음수(signed) 오프셋 가능: -256 ~ +255
정렬(alignment)되지 않은 임의 바이트 위치 접근 가능

비교 예시:

ldr  x0, [x1, #8]        // x1+8 위치에서 로드 (8의 배수만 가능)
ldur x0, [x1, #3]        // x1+3 위치에서 로드 (임의 바이트 오프셋 가능)
ldur x0, [x1, #-8]        // 음수 오프셋 — LDR로는 불가능, LDUR만 가능

핵심 판단 기준:

오프셋이 정렬된 배수값이면서 양수 → LDR (어셈블러가 자동 선택)
오프셋이 음수이거나 정렬되지 않은 값이면 → LDUR 필요

실전 등장 배경: 컴파일러가 스택 프레임에서 로컬 변수에 접근할 때, 오프셋이 정렬되지 않거나 음수인 경우가 흔해서 LDUR이 자주 등장함:

stur x0, [x29, #-8]     // 스택 프레임 내 로컬 변수 저장 (음수 오프셋)
ldur x0, [x29, #-8]     // 동일 위치에서 로드

LDXR

Load Exclusive Register

정의: 배타적 접근 모니터(exclusive monitor) 를 설정하며 메모리에서 값을 로드하는 명령어. 이후 STXR(Store Exclusive)과 짝을 이루어 lock-free 동기화(CAS 유사 패턴)를 구현하는 데 사용됨.

문법:

LDXR Xt, [Xn]

동작:

[Xn] 주소의 값을 Xt에 로드
해당 주소에 대한 배타적 모니터를 활성화 (다른 코어가 같은 주소를 건드리면 모니터가 깨짐)

짝 명령어 STXR과 함께 사용:

retry:
    ldxr x0, [x1]           // 값 로드 + 배타적 모니터 설정
    add  x0, x0, #1           // 값 증가 (레지스터 내에서만 수행)
    stxr w2, x0, [x1]          // 배타적 저장 시도, w2에 성공(0)/실패(1) 결과
    cbnz w2, retry              // 실패 시(다른 코어가 끼어듦) 재시도

이전 LSE 명령어 문서와의 연결: 이 패턴이 바로 LDADD 같은 LSE 원자적 명령어가 나오기 전의 소프트웨어 재시도 루프 방식임. LDXR/STXR은 여전히 유효하지만, 단순 산술 연산이라면 LDADD 한 줄로 대체 가능함. LDXR/STXR은 더 복잡한 조건부 갱신 로직(단순 산술로 표현 안 되는 경우)에서 여전히 필요함.

놓치신 관련 명령어 — Exclusive 계열 전체

LDAXR (Load-Acquire Exclusive)

정의: LDXR에 Acquire 메모리 순서가 추가된 버전.

LDAXR Xt, [Xn]

차이점: LDXR은 순서 보장이 없는 relaxed 접근이지만, LDAXR은 이 로드 이후의 메모리 접근이 이 명령어보다 먼저 실행되지 않도록 보장함 (락 획득 시 필수).

STXR / STLXR (Store Exclusive 계열)

니모닉	순서	용도
`STXR`	Relaxed	배타적 저장, 순서 보장 없음
`STLXR`	Release	배타적 저장 + Release 순서 (락 해제 시 필수)

STXR  Ws, Xt, [Xn]     // Ws = 성공(0)/실패(1) 결과
STLXR Ws, Xt, [Xn]

LDAR / STLR (비배타적 Acquire/Release)

정의: 배타적 모니터 없이 순수하게 메모리 순서만 보장하는 단순 로드/스토어. Exclusive 계열과 혼동하기 쉬우나 재시도 루프 목적이 아님.

LDAR Xt, [Xn]      // Acquire 로드 (배타성 없음)
STLR Xt, [Xn]        // Release 스토어 (배타성 없음)

용도: C++ std::atomic의 load(memory_order_acquire) / store(memory_order_release) 구현에 직접 대응됨. 락(lock) 자체가 아니라 단순 원자적 플래그 읽기/쓰기에 사용됨.

LDXP / STXP / LDAXP / STLXP (Pair 버전)

정의: 레지스터 두 개(pair) 를 동시에 배타적으로 로드/저장하는 확장판. 128비트(16바이트) 단위의 원자적 CAS 구현 등에 사용됨.

LDXP  Xt1, Xt2, [Xn]        // 두 레지스터에 동시 배타적 로드
STXP  Ws, Xt1, Xt2, [Xn]     // 두 레지스터를 동시 배타적 저장
LDAXP Xt1, Xt2, [Xn]        // Acquire 버전
STLXP Ws, Xt1, Xt2, [Xn]     // Release 버전

실전 활용: CASP(이전 문서에서 언급한 Compare-and-Swap Pair) 이전 시대의 대체 구현 방식, 또는 CASP가 지원되지 않는 상황에서 128비트 CAS를 소프트웨어 루프로 구성할 때 사용됨.

종합 정리표

명령어	배타성	메모리 순서	크기	용도
`LDR`	없음	없음	단일 레지스터	일반 로드 (scaled offset)
`LDUR`	없음	없음	단일 레지스터	일반 로드 (unscaled offset)
`LDAR`	없음	Acquire	단일 레지스터	원자적 읽기 (동기화 플래그)
`LDXR`	있음	없음	단일 레지스터	배타적 로드 (재시도 루프용)
`LDAXR`	있음	Acquire	단일 레지스터	배타적 로드 + 락 획득
`LDXP`	있음	없음	레지스터 쌍	128비트 배타적 로드
`LDAXP`	있음	Acquire	레지스터 쌍	128비트 배타적 로드 + 락 획득

LDUR과 LDXR을 함께 정리하는 이유 — 실전 코드 리딩 시 혼동 방지

핵심 구분 포인트:

이름에 U가 붙으면 → Unscaled offset (주소 지정 방식 차이, 동기화와 무관)
이름에 X가 붙으면 → Exclusive (배타적 접근, 락-프리 동기화 목적)
이름에 A가 붙으면 → Acquire (메모리 순서 보장)
이름에 L이 붙으면 → Release (메모리 순서 보장)

조합 예시로 이해하기:

LDAXR = LD + A(cquire) + X(clusive) + R(egister)
     = Acquire 순서를 보장하는 배타적 로드

이 접두/접미사 조합 규칙을 알면 LDAPR, LDAPUR 같은 낯선 변형을 마주쳐도 구조적으로 유추 가능함 (LDAPR = Load-Acquire RCpc, LDAPUR = 그 unscaled 버전 — ARMv8.3 이상에서 추가된 더 세밀한 순서 모델).