05_ARMv8_指令集_跳转_比较与返回指令

[carloscn]

05-ARMv8-指令集-跳转和比较指令

• 零计数指令CLZ
• 比较指令：CMP, CMN
• 跳转指令：B, BR, BL, BLR
• 条件选择指令：CSEL, CSET, CSINC

1. CLZ

计算最高为1的比特位前面有多少个0。例如， 0x0800 0000 0000 000F，前面是有4个0的（使用64位的寄存器），如果使用Wn寄存器，按照32位算。

• CLZ
  • Define: CLZ <Xd>, <Xn>
  • Example1: clz x0, x1 [计算x1寄存器内的值最高位1的比特位前面有多少个0，并放入x0]

2. 比较指令

比较指令有CMP和CMN，CMP本质为：CMP x1, x2 -> x1 = x1 - x2；CMN为负向比较:CMN x1, x2->x1 = x1 + x2。

2.1 CMP

NZC = a - b，根据不同的比较结果，来确定NZC的标志位，若x1 > x2, NCZV = 0100，若x1 = x2, NCZV = 0110，若x1 < x2, NCZV = 1000。

• CMP (immediate):
  • Define: CMP <Xd|SP>, #<imm>{, lsl <#shift>}, note shift supports #0 and #12 only.
  • Example1: cmp x1, #8 (x1 = x2 - 8)
  • Example2: cmp x1, #8, lsl #12 ( x1 = x2 - (8 << 12) )
• CMP (shifted register):
  • Define: CMP <Xd>, <Xm>{, <shift> #<amount>} , note #amount range 0 to 63
  • Note: LSL when shift = 0, LSR when shift = 1, ASR when shift = 2
  • Example1: cmp x1, x2, asr #2

2.1 CMN

NZC = a + b，a和b如果加和为负数，N置位; a + b的和为0，Z置位；a + b溢出（两个负数相加），C置位。

• CMN (extended register) :
  • Define: CMN <Xd|SP>, <R><m>, {<extend> {#<amount>}}
  • Example1: cmn x0, x1 ( x0 = x0 - x1 )
  • Example2: cmn x0, x1, lsl #5( x0 = x0 - (x1 << 5) )
• CMN (immediate):
  • Define: CMN <Xd|SP>, #<imm>{, lsl <#shift>}, note shift supports #0 and #12 only.
  • Example1: cmn x1, #8 (x1 = x2 - 8)
  • Example2: cmn x1, #8, lsl #12 ( x1 = x2 - (8 << 12) )
• CMN (shifted register):
  • Define: CMN <Xd>, <Xm>{, <shift> #<amount>} , note #amount range 0 to 63
  • Note: LSL when shift = 0, LSR when shift = 1, ASR when shift = 2
  • Example1: cmn x1, x2, asr #2

对于CMN，根据实验有以下几种情况：

Condition	Algo	N	Z	C
-0x01 > -0x0E	(-0x01) + (- 0x0E) = -0x0F	1	0	1
0 = 0	0 + 0 = 0	0	1	0
-0x0F < -0x01	(-0x0F) + (-0x01) = -0x10	1	0	1
0x0F > -0x01	(0x0F) + (-0x01) = 0x0E	0	0	1
-0x0F < 0x01	(-0x0F) + (0x01) = -0x0E	1	0	0
-0x01 < 0x01	(-0x01) + 0x01 = 0	0	1	1

2.3 Condition Codes

(CMP and CMN) Sets the condition flags to the result of a comparison if the original condition is true. If not true, the conditional flags are set to a specified condition flag state. The conditional compare instruction is very useful for expressing nested or compound comparisons.

Condition codes: ¹

Code	Encoding	Meaning (when set by CMP)	Meaning (when set by FCMP)	Condition flags
EQ	0b0000	Equal to.	Equal to.	Z =1
NE	0b0001	Not equal to.	Unordered, or not equal to.	Z = 0
CS	0b0010	Carry set (identical to HS).	Greater than, equal to, or unordered (identical to HS).	C = 1
HS	0b0010	Greater than, equal to (unsigned) (identical to CS).	Greater than, equal to, or unordered (identical to CS).	C = 1
CC	0b0011	Carry clear (identical to LO).	Less than (identical to LO).	C = 0
LO	0b0011	Unsigned less than (identical to CC).	Less than (identical to CC).	C = 0
MI	0b0100	Minus, Negative.	Less than.	N = 1
PL	0b0101	Positive or zero.	Greater than, equal to, or unordered.	N = 0
VS	0b0110	Signed overflow.	Unordered. (At least one argument was NaN).	V = 1
VC	0b0111	No signed overflow.	Not unordered. (No argument was NaN).	V = 0
HI	0b1000	Greater than (unsigned).	Greater than or unordered.	(C = 1) && (Z = 0)
LS	0b1001	Less than or equal to (unsigned).	Less than or equal to.	(C = 0) || (Z = 1)
GE	0b1010	Greater than or equal to (signed).	Greater than or equal to.	N==V
LT	0b1011	Less than (signed).	Less than or unordered.	N!=V
GT	0b1100	Greater than (signed).	Greater than.	(Z==0) && (N==V)
LE	0b1101	Less than or equal to (signed).	Less than, equal to or unordered.	(Z==1) || (N!=V)
AL	0b1110	Always executed.	Default. Always executed.	Any
NV	0b1111	Always executed.	Always executed.	Any

// The test is:
// suppose the x1 = 1, x2 = -3
// Use the `cmn` instruction to compare the x1 and x2
// When the result is neg number, make x2 += 1;
// until the result is zero, then return the function.
test_cmn_jump:
	msr NZCV, xzr
	mov x0, xzr
	mov x1, #0x0
loop:
	add x1, x1, #0x1
	mov x2, #-0x3
	cmn x1, x2		// NZCV = 1000
	mrs x0, NZCV
	b.mi loop
	ret

3. 条件选择指令

条件选择指令包括CSEL\CSET\CSINC三条指令，也是非常重要的指令。

3.1 CSEL

CSEL, 条件选择指令，如果cond为真，那么xd就是xn的值，否则就是xm的值。注意，为上面表格的值。

• Define: CSEL <Xd>, <Xn>, <Xm>, <cond>
• Example1: csel x1, x1, x2, EQ -> 如果Z=1，x1维持原始值，否则x2给x1赋值
• Example2: csel x1, x1, x2, MI -> 如果N=1，x1维持原始值，否则x2给x1赋值

3.2 CSET

CSET, 条件置位指令，如果cond为真，那么xd就是1，否则就是0。注意，为上面表格的值。

• Define: CSET <Xd>, <cond>
• Example1: cset x1, EQ -> 如果Z=1，x1是1， 否则为0
• Example2: cset x1, MI -> 如果N=1，x1是1， 否则为0

3.3 CSINC

CSINC，条件选择并增加指令 如果cond为真，那么xd就是xn的值，否则就是xm+1的值。注意，为上面表格的值。

• Define: CSINC <Xd>, <Xn>, <Xm>, <cond>
• Example1: csinc x1, x1, x2, EQ -> 如果Z=1，x1维持x1， 否则为x2+1
• Example2: csinc x1, x2, x3, MI -> 如果N=1，x1为x2， 否则为x3+1

3.4 Example

用汇编实现下面的c代码：

unsigned long cel_test(unsigned long a, unsigned long b)
{
  if (a == 0) {
    return b + 2;
  } else {
    return b - 1;
  }
}

分析拆解：

• 比较指令 a与0 的比较，a为0的时候 Z标志位可以使用，因此可以利用Z标识位条件EQ作为该分支的入口。
• b + 2和b-1 分支分别有个运算操作数的动作，确定 +2 还是 -1 可以把 2和 -1 放在一个寄存器里面，由 csel来判断那个值。

test_csel:

	mov x2, #0x2
	mov x3, #-0x1
	cmp x0, #0
	csel x4, x2, x3, EQ
	add x0, x1, x4
	ret

4. 跳转与返回指令

• B： b跳转指令, b 可以跳到PC ±128MB的范围， 不返回
• B. : 使用跳转指令b.<cond>,xx为以上表格的指，不返回
• BR: 跳转到寄存器指定的地址处，不返回
• BL：带返回地址的，PC±128MB， 用于跳转到子函数，返回地址为PC+4，设置到X30寄存器中。
• BLX: 跳转到寄存器指定的地址处，可以返回。返回地址保存到X30寄存器，保存的是父函数的PC+4
• RET: 从子函数返回，通常用X30里保存的返回地址返回。
• ERET：从当前的异常模式返回，通常可以实现模式切换，例如EL1切换到EL0。它会从SPSR恢复PSTATE，从ELR中获取跳转地址，并返回到该地址。

Example:

• 新建一个汇编文件
• 创建一个bl_test的汇编函数，在该汇编函数中使用bl指令来跳转到csel_test汇编函数中
• 在kernel.c文件中，C语言调用该bl_test汇编函数。

分析：

调用顺序应该是main -----> bl_test -----> csel_test ---> ret， 如果使用bl指令跳转到csel_test中，csel_test返回之后 bl_test拿到的是csel_test返回地址PC，而且X30寄存器被修改为csel_test子函数的地址，如果把PC+4返回给main函数，main函数看到的是当前的PC+4，肯定是错误的。这个难点就在于bl跳转子函数之后的返回需要处理好，重置X30寄存器的地址的值。

test_csel:

	mov x2, #0x2
	mov x3, #-0x1
	cmp x0, #0
	csel x4, x2, x3, EQ
	add x0, x1, x4
	ret

test_bl:
	mov x8, x30    // 备份main函数call进来x30的lr的值，否则到这里函数回不去
	mov x0, 1
	mov x1, 3
	bl test_csel   // 跳转进入这个函数之后x30寄存器被test_csel子函数冲走了
	mov x30, x8    // 恢复x30的值，此时ret之后可以回到main函数的地址继续执行
	retå

Ref

Footnotes

1. ARM Cortex-A Series Programmer's Guide for ARMv8-A -Conditional instructions ↩

[carloscn]

实验参考：https://github.com/carloscn/armv8-train/tree/master/lab05