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為什麼要有相對跳轉和絕對跳轉?順序執行:指令一條一條按照順序往下執行,比如變數的定義和賦值都是按照順序執行的。跳轉執行:當指令執行到當前位置後跳轉到其他位置執行。比如,在主函式中呼叫其他函式就是典型的跳轉執行。其中跳轉又分為絕對跳轉和相對跳轉。絕對跳轉:直接跳轉到一個固定的,實實在在的地址。相對跳轉:相對於當前pc值的一個跳轉,跳轉到pc+offset的地址。
我們清楚了上面幾個概念,就知道了為什麼要有相對跳轉和絕對跳轉。各種指令相互配合才能使得cpu有更高的處理效率。正是因為有了順序和跳轉指令,我們的cpu才可以處理各種複雜的計算。
在程式中只有相對跳轉/絕對跳轉是否可以?答案肯定是不可以的。我們以一個例子具體分析。指令編號 | 指令功能-------- | -----| -----指令1 | 順序執行指令2 | 順序執行指令3 |相對跳轉到指令5指令4 | 順序執行指令5 | 順序執行指令6 | 絕對跳轉到指令8指令7 | 順序執行指令8 | 順序執行
假設程式被放在0x00000000位置開始執行,編譯連結後的結果為:
指令地址 | 指令編號 | 指令功能 | 下條指令地址-------- | -----| -----| -----| -----0x00000000 | 順序執行| 順序執行| 當前地址+40x00000004 | 順序執行| 順序執行| 當前地址+40x00000008 |跳轉到指令5|跳轉到指令5|當前地址+80x0000000C | 順序執行 | 順序執行 | 當前地址+40x00000010 | 順序執行 | 順序執行 | 當前地址+40x00000014 | 跳轉到指令8| 跳轉到指令8| 0xC000001C0x00000018 | 順序執行| 順序執行|當前地址+40x0000001C | 順序執行 | 順序執行 | 當前地址+4
當這段程式被放在0xC000000空間時,開始執行指令1,然後採用相對定址的方法就可以執行到指令6,在指令6執行時也可以使用絕對定址的方法從0xC0000014正確跳轉到指令8所在的0xC00001C位置,這段程式碼執行正常。
當這段程式碼被放在0x00000000空間時,開始執行指令1,然後採用相對定址的方法就可以執行到指令6,但在指令6執行時使用絕對定址的方法從0x0000014跳轉到了0xC000001C,但0xC000001C空間沒有程式碼,這樣程式就跑飛了。
B(BL)和LDR指令具體怎麼執行的?我們以下圖中的這句跳轉程式碼分析下指令具體的執行過程。
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT bl cpu_init_crit#endif
上述程式碼對應的反彙編程式碼如下:
33f000ac: eb000017 bl 33f00110 <cpu_init_crit>
33f00110 <cpu_init_crit>:33f00110: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x033f00114: ee070f17 mcr 15, 0, r0, cr7, cr7, {0}
當指令執行到33f000ac時,對應的機器碼為eb000017(1110 1011 0000 0000 0000 0000 0001 0111),其中[31,28]高四位為條件碼,1110表示無條件執行。[25,27]位保留區域,24位表示是否帶有返回值,1表示帶有返回值,也就是BL指令。[23,0]為指令的運算元,0000 0000 0000 0000 0001 0111。按照如下計算方式:
1、將指令中24位帶符號的補碼立即數擴充套件為32位(擴充套件其符號位)原數變成 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0111。
2、將此數左移兩位0000 0000 0000 0000 0000 0010 1000 0000 變成 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 1100 = 0x0000005c
3、將得到的值加到PC暫存器中得到目標地址,由於ARM為3級流水線,此時的 pc = 33f000ac+8 = 33F000B4,pc = 33F000B4 + 0x0000005c = 33F00110與圖中的cpu_init_crit的地址相等。
在算的過程中我們使用的始終是PC的值,假設程式在 0 地址處執行,那麼計算方法一樣,pc 的值變了計算出來的結果也隨之改變。所以 BL 的跳轉時與位置無關的。
下圖為B(BL)指令的格式 28~31bts(cond)是條件碼,就是表明這條語句裡是否有大於、等於、非零等的條件判斷,這4bts共有16種狀態,分別為: 下圖為LDR指令的格式 我們以下圖中的第一句話作為例子分析下
ldr pc,=call_board_init_f
對應的反彙編程式碼如下:
33f000d0: e59ff324 ldr pc, [pc, #804] ; 33f003fc <fiq+0x5c>
33f003fc: 33f000d4 .word 0x33f000d4........33f000d4 <call_board_init_f>:33f000d4: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
ldr pc, [pc, #804]這條指令為偽指令,編譯的時候會將call_board_init_f的連結地址存入一個固定的地址(連結時確定的),對於本條指令這個地址就是33f000d4 。上面的反彙編出來的 ldr pc,=call_board_init_f就變成了ldr pc, [pc, #804],由於ARM使用了流水線的原因,所以在執行 ldr pc. [ pc, #4 ]的時候 pc 不在這句程式碼這裡了,而是跑到了 pc+8的地方,這句程式碼相當於 pc = *(pc+804+8)=33f000d0+32C=33f003fc ,所以會跳轉到33f003fc 地址取33f000d4 ,而33f000d4 是存在程式碼段中的一個常量,並不是計算出來的,不會隨程式的位置而改變,所以無論程式碼和pc怎麼變 *(pc+804) 的值時不會變的。
這樣,絕對跳轉中的固定地址就很好理解了,要跳轉地址的值在連結時就已經確定了,存在了一塊記憶體中。而相對跳轉時,反彙編bl 33f00110中的33f00110是根據pc計算出來的,當pc改變時,結果也會改變,所以,稱為相對跳轉,與當前位置無關。
B(BL)和LDR跳轉範圍是如何規定的?下圖為B(BL)指令的格式 BL指令的[23,0]bits存放的是要跳轉的相對地址,由於指令所在地址必須是4位元組對齊的,因此跳轉的地址最低bits必然是0,因此BL指令[23,0]bits儲存的是省略這最低2bts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表示向前跳還是向後跳,那麼剩下的25bits就可以表示32 MBts的範圍了,225=32M因此,B(BL)指令的跳轉範圍為-32MBytes~+32MBytes。
下圖為LDR指令的格式 圖中的LDR的跳轉範圍計算方式和B指令的類似,其中Rn和Address_mode共同構成第二個運算元的記憶體地址,由Address_mode的9種格式可以直到,Address_mode表示的就是偏移地址的範圍大小,為212=4K。(不理解的可以對比下ldr pc, [pc, #804]和Address_mode的九種格式,很明顯可以看出Address_mode就是當前地址的偏移範圍)