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標題: 從ARM匯編指令機器碼解釋一些問題 [打印本頁]
作者: 51黑tt    時間: 2016-3-6 15:26
標題: 從ARM匯編指令機器碼解釋一些問題
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據，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，分別為：
二進制碼指令符號含義二進制碼指令符號含義
0000EQ相等0001NE不等
0010CS/HS進位/無符號數大于等于0011CC/LO清進位/無符號數小于
0100MI減/負數0101PL加/正數或0
0110VS溢出0111VC沒溢出
1000HI無符號數大于1001LS無符號數小于等于
1010GE有符號數大于等于1011LT有符號數小于
1100GT有符號數大于1101LE有符號數小于等于
1110AL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。前面我們說過狀態寄存器里有NZCV的狀態標志，當執行一條指令時，芯片就會將這條指令的條件碼與狀態寄存器中的狀態標志做比較，如果狀態寄存器中的狀態標志滿足這條指令的條件碼時，則執行這條語句，如果不滿足則不執行這條指令。狀態寄存器中的狀態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，先修改狀態寄存器中的狀態標志，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，那么它就將狀態寄存器中的Z置為1，表示結果為真，否則，將狀態寄存器中的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”時才執行。
當R1等于0時，CMP指令就將Z置為1，執行BEQ時滿足條件，就執行了跳轉。如果R1不等于0，CMP指令就將Z置為0，執行BEQ時不滿足條件，就不執行跳轉。
同理，只有當狀態寄存器中的標志為相等時，MOVEQ指令才會執行，這時其功能與MOV指令相同。而MOVLT指令則是當狀態寄存器中的標志為有符號數，并且處于小于狀態時才會執行的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）是用來區別shifer_operand域是采用立即數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表示立即數尋址方式，這就涉及到了指令的尋址方式。
尋址方式的出現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，如果采用立即數尋址，立即數的長度不可能超過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，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#0×12345678是32bits數據，已經超過了shifer_operand域所能裝下的最長12bits數據，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據，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據放入一個寄存器中，然后才能使用MOV指令采用寄存器尋址。對比立即數尋址方式，它增加了指令的執行時間，也增加了代碼，還多用了一個寄存器，但它的優點是可以操作長的數據。
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，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，對比了幾條指令發現該域果然全是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。

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
cond00IopcodeSSBZRdshifer_operand
MOV R1, #0×64E3A0106411100011101000000001000001100100
條件碼為1110適用任何條件 立即數方式MOV的指令碼指令沒有S標志 目的寄存器為R1源操作數為立即數0×64
MOVS PC, R14E1B0F00E11100001101100001111000000001110
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源操作數為寄存器R14
MOVLT R3, #0×1B3A0300110110011101000000011000000000001
LT的條件碼為1011 立即數方式MOV的指令碼指令沒有S標志 目的寄存器為R3源操作數為立即數1
MOVEQ R0, R101A0000100000001101000000000000000000001
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，BL要跳轉的實際地址為0×00080398+0xB88+8=0x00080F28。
這條BL指令執行下面的操作：
LR = 0x0008039C
PC = 0x00080F28
在操作系統中我們沒有使用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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