AArch64 ADRP±4GB寻址范围计算及重定向机制问询

1. ADRP ±4GB寻址范围的计算逻辑 #

AArch64架构中ADR和ADRP的寻址逻辑差异核心在页对齐偏移的设计：

• ADR指令使用21位带符号立即数，直接和PC值相加，偏移范围是-2^20 ~ +2^20-4，也就是你说的±1MB近似范围。
• ADRP指令同样使用21位带符号立即数，但计算时会先将当前PC值的低12位清零（按4KB页对齐），再将立即数左移12位后相加，计算逻辑为：

  目标页基址 = (当前PC值 & ~0xFFF) + (符号扩展(21位立即数) << 12)
  

  21位带符号立即数左移12位后，可表示的偏移范围为-2^32 ~ +2^32 - 4096，刚好对应±4GB的近似寻址范围。

2. 示例代码的重定向打补丁过程 #

你贴出的反汇编是未链接的可重定位目标文件（.o文件），其中adrp x0, 0 <main>的立即数是临时占位值，完整重定向流程如下：

1. 编译阶段，编译器会生成两个重定位条目：
   • 类型为R_AARCH64_ADR_PREL_PG_HI21的条目，绑定全局变量g和adrp指令的立即数字段
   • 类型为R_AARCH64_LDST32_ABS_LO12_NC的条目，绑定全局变量g和后续ldr指令的偏移字段
2. 链接阶段，链接器会先分配各段的运行时虚拟地址，得到main函数的最终地址addr_main，以及全局变量g的最终地址addr_g
3. 补丁adrp指令：将addr_main和addr_g都按4KB页对齐，计算两者的页差后右移12位，得到21位带符号立即数，写入adrp指令的对应编码位，此时x0寄存器的值就是g所在页的基址
4. 补丁ldr指令：取addr_g的低12位（也就是g在所在页内的偏移），写入ldr指令的偏移字段，此时ldr w0, [x0]实际访问的地址就是g的真实地址，可正确读取变量值。

3. 示例中地址偏移是否大于1MB的判定 #

当前可重定位目标文件阶段无法判断偏移大小：

• 你看到的adrp x0, 0 <main>是未补丁的占位值，和实际偏移无关
• 如果是静态链接的小内存模型程序，通常代码段和数据段距离远小于1MB，此时用ADR指令也可完成寻址，编译器选择ADRP是为了兼容大内存模型和位置无关代码的需求
• 如果是动态链接的PIC程序、或是大内存模型的程序，代码段和数据段的距离可能超过1MB，此时ADR的±1MB范围不足，必须使用ADRP。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Milan