【ARM 汇编基础速成6】ARM汇编之条件执行与分支

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

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)：

image

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：

image

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

.code32是指代码在ARM模式下执行。第一条机器码将PC地址加一并且送给了R3。在之后的跳转中就切换到了Thumb模式。这也是bx与b指令的区别，前者会切换状态而后者不会。、

.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。

image

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。

image

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