從ARM匯編指令機器碼解釋一些問題

ID:107189 · 發(fā)表于 2016-3-6 15:26

本帖最后由 51黑tt 于 2016-3-6 15:28 編輯

從ARM匯編指令機器碼解釋一些問題

為什么MOV R0, #0×12345678這條指令無法編譯，而MOV R0, #0x678卻可以編譯通過？
為什么芯片會有立即數(shù)尋址，寄存器尋址，間接尋址等多種尋址方式？一種尋址方式不可以么?
為什么B跳轉指令只能跳轉到±32MBytes的范圍內？

下面，我們一起來看看ARM7的指令格式，從指令格式中找出這些問題的答案。

ARM7內核采用的是RISC精簡指令集，所有的ARM指令都是32bits的，在這32bits里既包含了指令的指令碼，也包含了指令需要運算的數(shù)據(jù)，以MOV指令為例，通過MOV指令的32bits可以識別出這是一個MOV指令，又可以在這32bits里找到源寄存器和目的寄存器。我們來看一下MOV指令的機器碼格式：

圖 6 MOV指令的機器碼格式
28~31bits（cond）是條件碼，就是表明這條語句里是否有大于、等于、非零等的條件判斷，這4bits共有16種狀態(tài)，分別為：

二進制碼	指令符號	含義	二進制碼	指令符號	含義
0000	EQ	相等	0001	NE	不等
0010	CS/HS	進位/無符號數(shù)大于等于	0011	CC/LO	清進位/無符號數(shù)小于
0100	MI	減/負數(shù)	0101	PL	加/正數(shù)或0
0110	VS	溢出	0111	VC	沒溢出
1000	HI	無符號數(shù)大于	1001	LS	無符號數(shù)小于等于
1010	GE	有符號數(shù)大于等于	1011	LT	有符號數(shù)小于
1100	GT	有符號數(shù)大于	1101	LE	有符號數(shù)小于等于
1110	AL	任何條件	1111	-	未定義

表 1 匯編語言條件碼
指令與條件碼可以有多種組合，比如MOV指令可以有MOV、MOVEQ、MOVLT等多種形式。前面我們說過狀態(tài)寄存器里有NZCV的狀態(tài)標志，當執(zhí)行一條指令時，芯片就會將這條指令的條件碼與狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)標志做比較，如果狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)標志滿足這條指令的條件碼時，則執(zhí)行這條語句，如果不滿足則不執(zhí)行這條指令。狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)標志是受某些指令影響的，因此在使用有條件碼的指令進行判斷前，必然會有其它指令配合使用，先修改狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)標志，例如：
CMP R1, #0
BEQ GETNEXTTASKSP
第一條指令“CMP”是一個“比較”指令，如果R1等于0，那么它就將狀態(tài)寄存器中的Z置為1，表示結果為真，否則，將狀態(tài)寄存器中的Z置為0，表示結果為假。第二條指令其實是一條“B”指令，是“跳轉”指令，B之后的“EQ”就是條件碼，從表1中可以知道，條件是“相等”時才執(zhí)行。
當R1等于0時，CMP指令就將Z置為1，執(zhí)行BEQ時滿足條件，就執(zhí)行了跳轉。如果R1不等于0，CMP指令就將Z置為0，執(zhí)行BEQ時不滿足條件，就不執(zhí)行跳轉。
同理，只有當狀態(tài)寄存器中的標志為相等時，MOVEQ指令才會執(zhí)行，這時其功能與MOV指令相同。而MOVLT指令則是當狀態(tài)寄存器中的標志為有符號數(shù)，并且處于小于狀態(tài)時才會執(zhí)行的MOV指令。MOV指令的條件碼是AL，因此MOV指令可以不管任何條件都去執(zhí)行。其它指令也可以與條件碼組合使用，具體情況請查閱參附錄中的參考文檔2。
25bit（I）是用來區(qū)別shifer_operand域是采用立即數(shù)尋址方式還是寄存器尋址方式，該bit為0表示寄存器尋址方式，為1表示立即數(shù)尋址方式，這就涉及到了指令的尋址方式。
尋址方式的出現(xiàn)不是為了使指令能有多種寫法，而是受指令長度限制被迫產生的產物。以MOV指令為例，如果采用立即數(shù)尋址，立即數(shù)的長度不可能超過shifer_operand域的長度（MOV指令可以采用移位的方式裝下部分更長的立即數(shù)，這些不在討論之內），因此我們就不可能使用
MOV R0, #0×12345678
這條指令。立即數(shù)#0×12345678是32bits數(shù)據(jù)，已經超過了shifer_operand域所能裝下的最長12bits數(shù)據(jù)，如果把0×12345678全部被存到指令中，那么該指令中將無法存儲條件碼等其它指令信息，因此，這條指令在編譯時就會報錯。
為了解決這個問題，芯片設計人員就設計了寄存器尋址方式，在ARM7中每種模式有16個通用寄存器，2的4次方等于16，因此只需要用4bits就可以為每個寄存器分配一個編號，R0~R15寄存器分別對應0~15的編號。4bits的寄存器編號完全可以存入shifer_operand域。采用寄存器尋址時，指令先查到寄存器的編號，然后再從寄存器中取出使用的數(shù)據(jù)，這樣就解決了MOV指令受指令長度的限制而無法操作長立即數(shù)的問題。
從上述描述的過程來看采用寄存器尋址方式必須先將數(shù)據(jù)放入一個寄存器中，然后才能使用MOV指令采用寄存器尋址。對比立即數(shù)尋址方式，它增加了指令的執(zhí)行時間，也增加了代碼，還多用了一個寄存器，但它的優(yōu)點是可以操作長的數(shù)據(jù)。
除了上面這兩種尋址方式外，ARM7還有多種其它尋址方式，每種尋址方式都有其自身的特點，適用不同的場景，這里不介紹了。
21~24bits（opcode）是指令碼，用來表明這條指令是什么指令，例如，MOV指令的指令碼是0b1101，看到0b1101，芯片就將這條指令當做MOV指令來解析。
20bit（S）就是指令中S標志的體現(xiàn)，該bits為0表示指令不帶S，為1表示指令帶S，功能見上述指令介紹。
16~19bits（SBZ）手冊中沒查到是什么意思，SBZ應該是should be zero的意思，對比了幾條指令發(fā)現(xiàn)該域果然全是0，應該是保留位。
12~15bits（Rd）是指令中的目的寄存器，存放寄存器的4bits編號。
0~11bits（shifter_operand），指令的操作數(shù)。

下面我找了4條指令，將MOV指令做一個對比：

指令	機器碼	指令格式
指令	機器碼	cond	00	I	opcode	S	SBZ	Rd	shifer_operand
MOV R1, #0×64	E3A01064	1110	00	1	1101	0	0000	0001	000001100100
MOV R1, #0×64	E3A01064	條件碼為1110適用任何條件		立即數(shù)方式	MOV的指令碼	指令沒有S標志		目的寄存器為R1	源操作數(shù)為立即數(shù)0×64
MOVS PC, R14	E1B0F00E	1110	00	0	1101	1	0000	1111	000000001110
MOVS PC, R14	E1B0F00E	條件碼為1110適用任何條件		寄存器方式	MOV的指令碼	指令有S標志		目的寄存器為R15	源操作數(shù)為寄存器R14
MOVLT R3, #0×1	B3A03001	1011	00	1	1101	0	0000	0011	000000000001
MOVLT R3, #0×1	B3A03001	LT的條件碼為1011		立即數(shù)方式	MOV的指令碼	指令沒有S標志		目的寄存器為R3	源操作數(shù)為立即數(shù)1
MOVEQ R0, R1	01A00001	0000	00	0	1101	0	0000	0000	000000000001
MOVEQ R0, R1	01A00001	EQ的條件碼為0000		寄存器方式	MOV的指令碼	指令沒有S標志		目的寄存器為R0	源操作數(shù)為寄存器R1

表 2 MOV指令匯編格式對比

BL指令跳轉到目的地址，同時將BL指令的下條指令地址存入LR寄存器供程序返回時使用，調用函數(shù)時可以使用BL指令，如：
0×00080398 EB0002E2 BL 0x00080F28
0×00080398是BL指令所在的地址，EB0002E2是BL指令的機器碼，0x00080F28是BL指令要跳轉到的地址。從這個格式來看，BL指令好像是一個絕對跳轉指令，直接跳轉到0x00080F28這個地址，其實不然，BL指令是一個相對跳轉指令，格式如下：

BL指令的0~23bits存放的是要跳轉的相對地址，由于指令所在地址必須是4字節(jié)對齊的，因此跳轉的地址最低2bits必然是0，因此BL指令0~23bits保存的是省略這最低2bits的地址，如果補全了這2bits，BL指令就可以表示26bits的跳轉地址。在這26bits中需要使用1bit表示向前跳還是向后跳，那么剩下的25bits就可以表示32MByts的范圍了，225=32M，因此，我們在很多文檔上可以看到B跳轉指令只能跳轉到±32MBytes范圍內的說明，就是這個原因。
上面這個BL指令要跳轉的相對地址是0x2E2（BL指令0~23bits），補充2個最低位后，跳轉的相對地址為0xB88，由于ARM7有2級流水線，所以跳轉到的指令需要多加8個字節(jié)，BL要跳轉的實際地址為0×00080398+0xB88+8=0x00080F28。
這條BL指令執(zhí)行下面的操作：
LR = 0x0008039C
PC = 0x00080F28
在操作系統(tǒng)中我們沒有使用BL指令，就是因為我們不知道我們所調用的函數(shù)是否會超出BL指令的跳轉范圍，但我們可以看到編譯器編譯出的很多程序都是使用BL指令調用函數(shù)的，編譯器之所以不怕跳轉超出±32MBytes的范圍，是因為編譯器在編譯時就知道了程序所需要跳轉的范圍，它會為±32MBytes之內的跳轉分配BL指令，保證BL指令不會超出范圍。在這里以BL指令為例，介紹一下B指令的相關知識。

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