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【系列分享】ARM 汇编基础速成6:条件执行与分支

http://p1.qhimg.com/t01bdd3e4e75c7311fd.png



传送门


【系列分享】ARM 汇编基础速成1:ARM汇编以及汇编语言基础介绍

【系列分享】ARM 汇编基础速成2:ARM汇编中的数据类型

【系列分享】ARM 汇编基础速成3:ARM模式与THUMB模式

【系列分享】ARM 汇编基础速成4:ARM汇编内存访问相关指令

【系列分享】ARM 汇编基础速成5:连续存取


条件执行


在之前讨论CPSR寄存器那部分时,我们大概提了一下条件执行这个词。条件执行用来控制程序执行跳转,或者满足条件下的特定指令的执行。相关条件在CPSR寄存器中描述。寄存器中的比特位的变化决定着不同的条件。比如说当我们比较两个数是否相同时,我们使用的Zero比特位(Z=1),因为这种情况下发生的运算是a-b=0。在这种情况下我们就满足了EQual的条件。如果第一个数更大些,我们就满足了更大的条件Grater Than或者相反的较小Lower Than。条件缩写都是英文首字母缩写,比如小于等于Lower Than(LE),大于等于Greater Equal(GE)等。

下面列表是各个条件的含义以及其检测的状态位(条件指令都是其英文含义的缩写,为了便于记忆不翻译了):

http://p0.qhimg.com/t01cec616ff0b1fbc55.png

我们使用如下代码来实践条件执行相加指令:

.global main
main:
        mov     r0, #2     /* 初始化值 */
        cmp     r0, #3     /* 将R0和3相比做差,负数产生则N位置1 */
        addlt   r0, r0, #1 /* 如果小于等于3,则R0加一 */
        cmp     r0, #3     /* 将R0和3相比做差,零结果产生则Z位置一,N位置恢复为0 */
        addlt   r0, r0, #1 /* 如果小于等于3,则R0加一R0 IF it was determined that it is smaller (lower than) number 3 */
        bx      lr

上面代码段中的第一条CMP指令将N位置一同时也就指明了R0比3小。之后ADDLT指令在LT条件下执行,对应到CPSR寄存器的情况时V与N比特位不能相同。在执行第二条CMP前,R0=3。所以第二条置了Z位而消除了N位。所以ADDLT不会执行R0也不会被修改,最终程序结果是3。


Thumb模式中的条件执行


在指令集那篇文章中我们谈到了不同的指令集,对于Thumb中,其实也有条件执的(Thumb-2中有)。有些ARM处理器版本支持IT指令,允许在Thumb模式下条件执行最多四条指令。

相关引用:http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0552a/BABIJDIC.html 

指令格式:Syntax: IT{x{y{z}}} cond

cond 代表在IT指令后第一条条件执行执行指令的需要满足的条件。

x 代表着第二条条件执行指令要满足的条件逻辑相同还是相反。

y 代表着第三条条件执行指令要满足的条件逻辑相同还是相反。

z 代表着第四条条件执行指令要满足的条件逻辑相同还是相反。

IT指令的含义是“IF-Then-(Else)”,跟这个形式类似的还有:

IT,If-Then,接下来的一条指令条件执行。

ITT,If-Then-Then,接下来的两条指令条件执行。

ITE,If-Then-Else,接下来的两条指令条件执行。

ITTE,If-Then-Then-Else,接下来的三条指令条件执行。

ITTEE,If-Then-Then-Else-Else,接下来的四条指令条件执行。

在IT块中的每一条条件执行指令必须是相同逻辑条件或者相反逻辑条件。比如说ITE指令,第一条和第二条指令必须使用相同的条件,而第三条必须是与前两条逻辑上相反的条件。这有一些ARM reference上的例子:

ITTE   NE           ; 后三条指令条件执行
ANDNE  R0, R0, R1   ; ANDNE不更新条件执行相关flags
ADDSNE R2, R2, #1   ; ADDSNE更新条件执行相关flags
MOVEQ  R2, R3       ; 条件执行的move
ITE    GT           ; 后两条指令条件执行
ADDGT  R1, R0, #55  ; GT条件满足时执行加
ADDLE  R1, R0, #48  ; GT条件不满足时执行加
ITTEE  EQ           ; 后两条指令条件执行
MOVEQ  R0, R1       ; 条件执行MOV
ADDEQ  R2, R2, #10  ; 条件执行ADD
ANDNE  R3, R3, #1   ; 条件执行AND
BNE.W  dloop        ; 分支指令只能在IT块的最后一条指令中使用

错误的格式:

IT     NE           ; 下一条指令条件执行
ADD    R0, R0, R1   ; 格式错误:没有条件指令

下图是条件指令后缀含义以及他们的逻辑相反指令:

http://p2.qhimg.com/t0187be04b243641b2b.png

让我们试试下面这段代码:

.syntax unified    @ 这很重要!
.text
.global _start
_start:
    .code 32
    add r3, pc, #1   @ R3=pc+1
    bx r3            @ 分支跳转到R3并且切换到Thumb模式下由于最低比特位为1
    .code 16         @ Thumb模式
    cmp r0, #10      
    ite eq           @ if R0 == 10
    addeq r1, #2     @ then R1 = R1 + 2
    addne r1, #3     @ else R1 = R1 + 3
    bkpt

.code16是在Thumb模式下执行的代码。这段代码中的条件执行前提是R0等于10。ADDEQ指令代表了如果条件满足,那么就执行R1=R1+2,ADDNE代表了不满足时候的情况。


分支指令


分支指令(也叫分支跳转)允许我们在代码中跳转到别的段。当我们需要跳到一些函数上执行或者跳过一些代码块时很有用。这部分的最佳例子就是条件跳转IF以及循环。先来看看IF分支。

.global main
main:
mov r1, #2 / 初始化 a /
mov r2, #3 / 初始化 b /
cmp r1, r2 / 比较谁更大些 /
blt r1_lower / 如果R2更大跳转到r1_lower /
mov r0, r1 / 如果分支跳转没有发生,将R1的值放到到R0 /
b end / 跳转到结束 /
r1_lower:
mov r0, r2 / 将R2的值放到R0 /
b end / 跳转到结束 /
end:
bx lr / THE END /

上面的汇编代码的含义就是找到较大的数,类似的C伪代码是这样的:

int main() {
int max = 0;
int a = 2;
int b = 3;
if(a < b) {
max = b;
}
else {
max = a;
}
return max;
}

再来看看循环中的条件分支:

.global main
main:
mov r0, #0 / 初始化 a /
loop:
cmp r0, #4 / 检查 a==4 /
beq end / 如果是则结束 /
add r0, r0, #1 / 如果不是则加1 /
b loop / 重复循环 /
end:
bx lr / THE END /

对应的C伪代码长这样子:

int main() {
int a = 0;
while(a < 4) {
a= a+1;
}
return a;
}


B/BX/BLX


有三种类型的分支指令:

Branch(B)

简单的跳转到一个函数

Branch link(BL)

将下一条指令的入口(PC+4)保存到LR,跳转到函数

Branch exchange(BX) 以及 Branch link exchange(BLX)

与B/BL相同,外加执行模式切换(ARM与Thumb)

需要寄存器类型作为第一操作数:BX/BLX reg

BX/BLX指令被用来从ARM模式切换到Thumb模式。

.text
.global _start
_start:
.code 32 @ ARM模式
add r2, pc, #1 @ PC+1放到R2
bx r2 @ 分支切换到R2
.code 16          @ Thumb模式
 mov r0, #1

上面的代码将当前的PC值加1存放到了R2中(此时PC指向其后两条指令的偏移处),通过BX跳转到了寄存器指向的位置,由于最低有效位为1,所以切换到Thumb模式执行。下面GDB调试的动图说明了这一切。

http://p1.qhimg.com/t0187c3bb219598de31.gif

条件分支指令


条件分支指令是指在满足某种特定条件下的跳转指令。指令模式是跳转指令后加上条件后缀。我们用BEQ来举例吧。下面这段汇编代码对一些值做了操作,然后依据比较结果进行条件分支跳转。

http://p4.qhimg.com/t016b77ef3f8678a8a0.png

对应汇编代码如下:

.text
.global _start
_start:
mov r0, #2
mov r1, #2
add r0, r0, r1
cmp r0, #4
beq func1
add r1, #5
b func2
func1:
mov r1, r0
bx lr
func2:
mov r0, r1
bx lr


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原文链接:https://azeria-labs.com/arm-conditional-execution-and-branching-part-6/

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