1. 为什么要有相对跳转和绝对跳转?
顺序执行:指令一条一条按照顺序往下执行,比如变量的定义和赋值都是按照顺序执行的。
跳转执行:当指令执行到当前位置后跳转到其他位置执行。比如,在主函数中调用其他函数就是典型的跳转执行。其中跳转又分为绝对跳转和相对跳转。
绝对跳转:直接跳转到一个固定的,实实在在的地址。
相对跳转:相对于当前pc值的一个跳转,跳转到pc+offset的地址。
我们清楚了上面几个概念,就知道了为什么要有相对跳转和绝对跳转。各种指令相互配合才能使得cpu有更高的处理效率。正是因为有了顺序和跳转指令,我们的cpu才可以处理各种复杂的计算。
2. 在程序中只有相对跳转/绝对跳转是否可以?
我们以一个例子具体分析。
指令编号 | 指令功能 |
指令1 | 顺序执行 |
指令2 | 顺序执行 |
指令3 | 相对跳转到指令5 |
指令4 | 顺序执行 |
指令5 | 顺序执行 |
指令6 | 绝对跳转到指令8 |
指令7 | 顺序执行 |
指令8 | 顺序执行 |
假设程序被放在0x00000000位置开始执行,编译链接后的结果为:
指令地址 | 指令编号 | 指令功能 | 下条指令地址 |
0x00000000 | 顺序执行 | 顺序执行 | 当前地址+4 |
0x00000004 | 顺序执行 | 顺序执行 | 当前地址+4 |
0x00000008 | 跳转到指令5 | 跳转到指令5 | 当前地址+8 |
0x0000000C | 顺序执行 | 顺序执行 | 当前地址+4 |
0x00000010 | 顺序执行 | 顺序执行 | 当前地址+4 |
0x00000014 | 跳转到指令8 | 跳转到指令8 | 0xC000001C |
0x00000018 | 顺序执行 | 顺序执行 | 当前地址+4 |
0x0000001C | 顺序执行 | 顺序执行 | 当前地址+4 |
当这段程序被放在0xC000000空间时,开始执行指令1,然后采用相对寻址的方法就可以运行到指令6,在指令6执行时也可以使用绝对寻址的方法从0xC0000014正确跳转到指令8所在的0xC00001C位置,这段代码运行正常。
当这段代码被放在0x00000000空间时,开始执行指令1,然后采用相对寻址的方法就可以运行到指令6,但在指令6执行时使用绝对寻址的方法从0x0000014跳转到了0xC000001C,但0xC000001C空间没有代码,这样程序就跑飞了。
因此,当编译地址(加载地址)和运行地址相同时,绝对跳转和相对跳转都可以正确执行。比如,程序在NORFLASH存储时。
3. B(BL)执行过程分析
下图为B(BL)指令的格式。 28~31位(cond)是条件码,就是表明这条语句里是否有大于、等于、非零等的条件判断,这4bts共有16种状态,分别为:
我们以Uboot启动过程中的这句跳转代码分析下BL指令具体的执行过程。
#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
bl cpu_init_crit
#endif
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3
上述代码对应的反汇编代码如下:
33f000ac: eb000017 bl 33f00110 <cpu_init_crit>
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33f00110 <cpu_init_crit>:
33f00110: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
33f00114: ee070f17 mcr 15, 0, r0, cr7, cr7, {0}
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当指令执行到33f000ac时,对应的机器码为eb000017(1110_1011 0000 0000 0000 0000 0001 0111),其中[31,28]高四位为条件码,1110表示无条件执行。[25,27]位保留区域,24位表示是否带有返回值,1表示带有返回值,也就是BL指令。[23,0]为指令的操作数,0000 0000 0000 0000 0001 0111。
BL指令的跳转地址是按照如下方式计算:
1、将指令中24位带符号的补码立即数扩展为32位(扩展其符号位)原数变成 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0111。
2、将此数左移两位0000 0000 0000 0000 0000 0010 1000 0000 变成 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 1100 = 0x0000005c
3、将得到的值加到PC寄存器中得到目标地址,由于ARM为3级流水线,此时的 pc = 33f000ac+8 = 33F000B4,pc = 33F000B4 + 0x0000005c = 33F00110与图中的cpu_init_crit的地址相等。
在算的过程中我们使用的始终是PC的值,假设程序在 0 地址处执行,那么计算方法一样,pc 的值变了计算出来的结果也随之改变。所以 BL 的跳转时是与位置无关的。
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4. LDR指令执行过程分析
下图为LDR指令的格式。
我们以下图中的第一句话作为例子分析下
ldr pc,=call_board_init_f
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对应的反汇编代码如下:
33f000d0: e59ff324 ldr pc, [pc, #804] ; 33f003fc <fiq+0x5c>
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33f003fc: 33f000d4 .word 0x33f000d4
........
33f000d4 <call_board_init_f>:
33f000d4: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
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ldr pc, [pc, #804]这条指令为伪指令,编译的时候会将call_board_init_f的链接地址存入一个固定的地址(链接时确定的),对于本条指令这个地址就是33f000d4 。
上面的反汇编出来的 ldr pc,=call_board_init_f就变成了ldr pc, [pc, #804],由于ARM使用了流水线的原因,所以在执行 ldr pc,[ pc, #4 ]的时候 pc 不在这句代码这里了,而是跑到了 pc+8的地方,这句代码相当于 pc= *(pc+804+8)=33f000d0+32C=33f003fc ,所以会跳转到33f003fc 地址取33f000d4 ,而 33f000d4 是存在代码段中的一个常量,并不是计算出来的,不会随程序的位置而改变,所以无论代码和pc怎么变 *(pc+804) 的值时不会变的。
这样,绝对跳转中的固定地址就很好理解了,要跳转地址的值在链接时就已经确定了,存在了一块内存中。而相对跳转时,反汇编bl 33f00110中的33f00110是根据pc计算出来的,当pc改变时,结果也会改变。所以,称为相对跳转,与当前位置无关。
4. B(BL)和LDR跳转范围是如何规定的?
下图为B(BL)指令的格式 BL指令的[23,0]存放的是要跳转的相对地址,由于指令所在地址必须是4字节对齐的,因此跳转的地址最低位必然是0。
BL指令[23,0]位保存的是省略这最低2位的地址,如果补全了这2位,BL指令就可以表示26位的跳转地址。在这26位中需要使用1位表示向前跳还是向后跳,那么剩下的25bits就可以表示32 MBts的范围了,225=32M因此,B(BL)指令的跳转范围为-32MBytes~+32MBytes。
下图为LDR指令的格式
图中的LDR的跳转范围计算方式和B指令的类似,其中Rn和Address_mode共同构成第二个操作数的内存地址。由Address_mode的9种格式可以知道,Address_mode表示的就是偏移地址的范围大小,为212=4K。(不理解的可以对比下ldr pc, [pc, #804]和Address_mode的九种格式,很明显可以看出Address_mode就是当前地址的偏移范围)