第8章跳转指令《ARM系列处理器应用技术完全手册》

第8章跳转指令《ARM系列处理器应用技术完全手册》《ARM 系列处理器应用技术完全手册》作者：华清远见第 8章跳转指令本章目标跳转（B）和跳转连接（BL）指令是改变指令执行顺序的标准方式。ARM 一般按照字地址顺序执行指令，需要时使用条件执行跳过某段指令。只要程序必须偏离顺序执行，就要使用控制流指令来修改程序计数器。尽管在特定情况下还有其他几种方式实现这个目的，但转移和转移连接指令是标准的方式。...

《ARM 系列处理器应用技术完全手册》作者：华清远见第 8章跳转指令本章目标跳转（B）和跳转连接（BL）指令是改变指令执行顺序的标准方式。ARM 一般按照字地址顺序执行指令，需要时使用条件执行跳过某段指令。只要程序必须偏离顺序执行，就要使用控制流指令来修改程序计数器。尽管在特定情况下还有其他几种方式实现这个目的，但转移和转移连接指令是标准的方式。专业始于专注卓识源于远见 ‐ 2 ‐ 跳转指令改变程序的执行流程或者调用子程序。这种指令使得一个程序可以使用子程序、if-then-else 结构以及循环。执行流程的改变迫使程序计数器 PC指向一个新的地址，ARMv5架构指令集包含的跳转指令如表 8.1所示。表 8.1 ARMv5 架构跳转指令助记符说明操作 B 跳转指令 pc←label BL 带返回的连接跳转 pc←label(lr←BL后面的第一条指令) BX 跳转并切换状态 pc←Rm&0xfffffffe, T←Rm&1 BLX 带返回的跳转并切换状态 pc←lable, T←1 pc←Rm&0xfffffffe, T←Rm&1 lr←BL后面的第一条指令另一种实现指令跳转的方式是通过直接向 PC寄存器中写入目标地址值，实现在 4GB地址空间中任意跳转，这种跳转指令又被称为长跳转。如果在长跳转指令之前使用“MOV LR”或“MOV PC”等指令，可以保存将来返回的地址值，也就实现了在 4GB的地址空间中的子程序调用。在 ARMv5以前的版本中，传送到 PC寄存器中的目标地址值的低两位 bits[1∶0]被忽略，跳转指令只能在 ARM指令集中执行，即程序不能从 ARM状态切换到 Thumb状态。在非 T系列版本 5的 ARM体系不含 Thumb指令，当程序试图切换到 Thumb状态时，将产生未定义指令异常中断。在 ARMv5以后的版本中，有两种类型的带连接的跳转切换指令（BLX），叙述如下。（1）形式如“BLX ”，它是一种类似于带寄存器 Rm的 BX指令。指令执行 BX操作，同时将返回地址放到 LR寄存器中。这种形式的带状态切换的跳转连接指令，方便了 ARM/Thumb互交的子程序调用。（2）另一种类型的 BLX 指令类似于 BL 指令，指令使程序跳转到指定地址，并将返回地址保存到 LR 寄存器中，该指令能够实现 32MB地址空间的跳转。与 BL指令的不同之处在于它返回到 Thumb状态，而不是 ARM状态。 8.1 跳转指令 B 及带连接的跳转指令 BL 1．指令编码格式跳转指令 B使程序跳转到指定的地址执行程序。带连接的跳转指令 BL将下一条指令的地址拷贝到 r14（即返回地址连接寄存器 LR）寄存器中，然后跳转到指定地址运行程序。需要注意的是，这两条指令和目标地址处的指令都要属于 ARM指令集。两条指令都可以根据 CPSR中的条件标志位的值决定指令是否执行。指令的编码格式如图 8.1所示。 cond 101 L signed_immed_24 31 28 27 25 24 23 0 图 8.1 B&BL指令编码格式 2．指令的语法格式 B{L}{} ① 专业始于专注卓识源于远见 ‐ 3 ‐ 为指令编码中的条件域。它指示指令在什么条件下执行。当忽略时，指令为无条件执行（cond=AL （Alway））。 ② L L位（bit[24]）=1，指令存储返回地址到 LR；L位（bit[24]）=0，指令仅实现跳转，不保存返回指令。 ③ 指令跳转的目标地址。指令通过下面的方法计算目标地址。  将 24位的立即数符号扩展为 32位。  将扩展后的 32位立即数左移两位。  将得到的值加到 PC寄存器中，即得到跳转的目标地址。注意由于以上原因，B和 BL指令只能实现±32MB空间的跳转。 3．指令操作的伪代码指令操作的伪代码如下面程序段所示。 If conditionPassed{cond} then If L==1 then LR = address of the instruction after the branch instruftion PC = PC + (SignExtend(signed_immed_24)<<2) 4．指令的使用 BL指令用于实现子程序调用。子程序的返回可以通过将 LR寄存器的值复制到 PC寄存器来实现。下面三种指令可以实现子程序返回。  BX r14（如果体系结构支持 BX指令）。  MOV PC，r14。  当子程序在入口处使用了压栈指令： STMFD r13！，{，r14}，可以使用指令。 LDMFD r13！，{，PC} 将子程序返回地址放入 PC中。 ARM汇编器通过以下步骤计算指令编码中的 signed_immed_24。（1）将 PC寄存器的值作为本跳转指令的基地址值。（2）从跳转的目标地址中减去上面所说的跳转的基地址，生成字节偏移量。由于 ARM指令是字对齐的，该字节偏移量为 4的倍数。（3）当上面生成的字节偏移量超过－33554432～+33554430时，不同的汇编器使用不同的代码产生策略。（4）否则，将指令编码字中的 signed_immed_24设置成上述字节偏移量的 bits[25∶2]。注意在一些 RISC体系结构的处理器中，存在延时跳转（delayed branch）模式，即在程序执行跳转指令跳转到目标地址之前，程序会执行跳转指令之后的指令。但在 ARM 体系中，没有这种延时跳转机制。 5．指令举例专业始于专注卓识源于远见 ‐ 4 ‐ （1）程序跳转到 LABLE标号处。 B LABLE ； ADD r1，r2，＃4 ADD r3，r2，＃8 SUB r3，r3，r1 LABLE SUB r1，r2，#8 （2）跳转到绝对地址 0x1234处。 B 0x1234 （3）跳转到子程序 func处执行，同时将当前 PC值保存到 LR中。 BL func （4）条件跳转：当 CPSR寄存器中的 C条件标志位为 1时，程序跳转到标号 LABLE处执行。 BCC LABLE （5）通过跳转指令建立一个无限循环。 LOOP ADD r1，r2，＃4 ADD r3，r2，＃8 SUB r3，r3，r1 B LOOP （6）通过使用跳转使程序体循环 10次。 MOV r0，＃10 LOOP SUBS r0，＃1 BNE LOOP （7）条件子程序调用示例。 …… CMP r0，＃5 ;如果 r0<5 BLLT SUB1 ;则调用 BLGE SUB2 ;否则调用 SUB2 注意只有 SUB1不改变条件码，本例才能正确执行，因为如果 BLLT执行了转移，将返回到 BLGE 指令。如果条件码被 SUB1 子程序改变，则 SUB2 可能又会被执行，从而达不到指令的预期效果。 8.2 带状态切换的跳转指令 BX 1．指令编码格式带状态切换的跳转指令 BX 使程序跳转到指令中指定的参数 Rm指定的地址执行程序，Rm的第 0 位拷贝到 CPSR中 T位，位[31∶1]移入 PC。若 Rm的 bit[0]为 1，则跳转时自动将 CPSR中的标志位 T置位，即把目标地址的代码解释为 Thumb代码；若 Rm的位 bit[0]为 0，则跳转时自动将 CPSR中的标志位 T复位，即把目标地址代码解释为 ARM代码。专业始于专注卓识源于远见 ‐ 5 ‐ 指令的编码格式如图 8.2所示。 cond 00010010 SB0 SB0 SB0 31 28 27 20 19 16 15 12 11 0 Rm 7 4 3 0001 8 图 8.2 BX指令编码格式 2．指令的语法格式 BX{} ① 为指令编码中的条件域。它指示指令在什么条件下执行。当忽略时，指令为无条件执行（cond=AL （Alway））。 ② 包含跳转指令的目标地址。如果 Rm的 bit[0]=0，目标地址处指令为 ARM指令；如果 Rm的 bit[0]=1，目标地址处指令为 Thumb指令。 3．指令操作的伪代码指令操作的伪代码如下面程序段所示。 If conditionPassed{cond} then T Flag=Rm[0] PC = Rm AND 0xfffffffe 4．指令的使用  当 Rm[1∶0]=0b10时，指令的执行结果不可预知。因为在 ARM状态下，指令是 4字节对齐的。  PC可以作为 Rm寄存器使用，但这种用法不推荐使用。当 PC作为使用时，指令“BX PC”将程序跳转到当前指令下面第二条指令处执行。虽然这样跳转可以实现，但最好使用下面的指令完成这种跳转。 MOV PC, PC 或， ADD PC, PC, #0 5．指令举例（1）转移到 r0中的地址，如果 r0[0]=1，则进入 Thumb状态。 BX r0；（2）跳转到 r0指定的地址，并根据 r0的最低位来切换处理器状态。 ADRL r0，ThumbFun+1 ； BX r0； 8.3 带状态切换的连接跳转指令 BLX（1）专业始于专注卓识源于远见 ‐ 6 ‐ 1．指令编码格式带连接和状态切换的跳转指令 BLX（Branch with Link Exchange）使用标号，用于使程序跳转到 Thumb状态或从 Thumb 状态返回。该指令为无条件执行指令，并用分支寄存器的最低位来更新 CPSR 中的 T 位，将返回地址写入到连接寄存器 LR中。指令编码格式如图 8.3所示。 1111 101 signed_immed_24 31 28 27 25 24 0 H 23 图 8.3 BLX(1)指令编码格式 2．语法格式 BLX 其中，为指令的跳转目标地址。该地址根据以下规则计算。 ① 将指令中指定的 24位偏移量进行符号扩展，形成 32位立即数。 ② 将结果左移两位。 ③ 位 H（bit[24]）加到结果地址的第一位（bit[1]）。 ④ 将结果累加进程序计数器 PC中。计算偏移量的工作一般由 ARM汇编器来完成。这种形式的跳转指令只能实现±32MB空间的跳转。左移两位形成字偏移量，然后将其累加进程序计数器 PC中。这时，程序计数器的内容为 BX指令地址加 8 字节。位 H（bit[24]）也加到结果地址的第一位（bit[1]），使目标地址成为半字地址，以执行接下来的 Thumb 指令。计算偏移量的工作一般由 ARM汇编器来完成。这种形式的跳转指令只能实现±32MB空间的跳转。 3．指令操作的伪代码指令操作的伪代码如下面程序段所示。第一种格式 BLX指令。 LR=address of the instruction after the BLX instruction T Flag=1 PC=PC + PC = PC + (SignExtend(signed_immed_24)<<2) + (H<<1) 4．指令的使用  从 Thumb状态返回到 ARM状态，使用 BX指令。 BX r14  可以在子程序的入口和出口增加栈操作指令。 PUSH {，r14} …… POP {，PC} 8.4 带状态切换的连接跳转指令 BLX（2）专业始于专注卓识源于远见 ‐ 7 ‐ 1．指令编码格式带连接和状态切换的跳转指令 BLX（Branch with Link Exchange）使用一个寄存器中的绝对地址，用于使程序跳转到 Thumb状态或从 Thumb状态返回。该指令用分支寄存器的最低位来更新 CPSR中的 T位，将返回地址写入到连接寄存器 LR中。指令编码格式如图 8.4所示。 cond 00010010 SB0 SB0 SB0 31 28 27 20 19 16 15 12 11 0 Rm 7 4 3 0011 8 图 8.4 BLX(2)指令编码格式 2．语法格式 BLX{} ① 为指令编码中的条件域。它指示指令在什么条件下执行。当忽略时，指令为无条件执行（cond=AL （Alway））。 ② 寄存器 Rm指定转移目标，Rm的第 0位拷贝到 CPSR中的 T位，bit[31∶0]移入 PC。  如果 Rm 的 bit[0]=1，则跳转时自动将 CPSR 中的标志位 T 置位，即把目标地址的代码解释为 Thumb 代码。  如果 Rm的 bit[0]=0，则跳转时自动将 CPSR中的标志位 T复位，即把目标地址代码解释为 ARM代码。 3．指令操作的伪代码指令操作的伪代码如下面程序段所示。 If ConditionPass{cond} then LR = address of the instruction after the branch instruction T Flag=Rm[0] PC=Rm AND 0xfffffffe 注意在这种情况下，如果 Rm的 bit[1∶0]=0b10，指令的执行结果不可预知，因为这将导致在 ARM状态下非对齐的字访问。 4．指令举例调用 Thumb子程序。 CODE32 ;ARM代码 …… BLX TSUB ;调用 Thumb子程序 …… CODE16 ;Thumb代码开始 TSUB 专业始于专注卓识源于远见 ‐ 8 ‐ …… BX r14 ;返回 ARM状态注意（1）一些不支持 Thumb指令集的 ARM处理器将捕获这些指令，允许软件仿真 Thumb指令。（2）只有实现 ARMv5版本以上的处理器支持 BLX指令的两种格式。联系方式集团官网：www.hqyj.com 嵌入式学院：www.embedu.org 移动互联网学院：www.3g-edu.org 企业学院：www.farsight.com.cn 物联网学院：www.topsight.cn 研发中心：dev.hqyj.com 集团总部地址：北京市海淀区西三旗悦秀路北京明园大学校内华清远见教育集团北京地址：北京市海淀区西三旗悦秀路北京明园大学校区，电话：010-82600386/5 上海地址：上海市徐汇区漕溪路银海大厦 A座 8层，电话：021-54485127 深圳地址：深圳市龙华新区人民北路美丽 AAA大厦 15层，电话：0755-22193762 成都地址：成都市武侯区科华北路 99号科华大厦 6层，电话：028-85405115 南京地址：南京市白下区汉中路 185号鸿运大厦 10层，电话：025-86551900 武汉地址：武汉市工程大学卓刀泉校区科技孵化器大楼 8层，电话：027-87804688 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