ARM处理器CPSR标志位和条件符之间…

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ARM处理器CPSR标志位和条件符之间的关系

 

作者：刘洪涛，华清远见嵌入式学院讲师。

本文目的是要理清ARM处理器的CPSR状态标志和ARM指令的条件符之间的关系。

一、CPSR寄存器

ARM V4的CPSR寄存器（和保存它的SPSR寄存器）中的位分配如下图1所示。

图1 程序状态寄存器格式

状态标志位含义：（其它位的含义和本文主题无关，此处不多介绍）

N
        N=1 表示运算的结果为负数；N=0 表示运算的结果为正数或零；
        Z
        Z=1 表示运算的结果为零；Z=0表示运算的结果为非零；
        C
            可以有4种方法设置C的值：
        ─ 加法运算（包括比较指令CMN）：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。
        ─ 减法运算（包括比较指令CMP）：当运算时产生了借位，C=0，否则C=1。
        ─ 对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位。
        ─ 对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不改变。
        V
            可以有2种方法设置V的值：
        ─ 对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出。
        ─ 对于其他的非加/减运算指令，V的值通常不改变

二、条件符及对应的标志位

表1 条件符描述表
        

三、关于C、V值更多的解释

处理器内部以补码表示有符号数，8个二制位能够表达的整数范围是：+127 ~ -128，16位表达的范围是：+32767 ~ -32768。如果运算结果超出了这个范围，就是产生了溢出,有溢出，说明有符号数的运算结果需要考虑溢出情况。

溢出标志V和进位标志C是两个意义不同的标志。进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围；溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围。

处理器对两个操作数进行运算时，按照无符号数求得结果，并相应设置进位标志C；同时，根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志V。

应该利用哪个标志，则由程序员来决定。也就是说，如果将参加运算的操作数认为是无符号数，就应该关心进位；认为是有符号数，则要注意是否溢出。

判断运算结果是否溢出有一个简单的规则：只有当两个相同符号数相加，而运算结果的符号与原数据符号相反时，产生溢出；其他情况下，则不会产生溢出。

代码举例1：

LDR     r0, =0x7fffffff
        LDR     r1, =0x70000000;
        ADDS    r0, r0, r1; //结果=0xefffffff
        对于无符号数运算来说，没有进位。 
        对于有符号数运算来说，溢出。 
        此时C=0 V=1；

代码举例2： 
        LDR     r0, =0xffffffff
        LDR     r1, =0x70000000;
        ADDS    r0, r0, r1; //结果=0x6fffffff 
        对于无符号数运算来说，有进位。 
        对于有符号数运算来说，无溢出。 
        此时C=1 V=0；

代码举例3： 
        LDR     r0, =0x8fffffff
        LDR     r1, =0xf0000000 ;
        ADDS    r0, r0, r1; //结果=0x7fffffff
        此时C=？ V=？；（思考一下，然后在ARM模拟器中验证下）

代码举例4：//思考减法时，C值的影响
        LDR     r0, =0x3
        LDR     r1, =0x2
        SUBS    r0, r0, r1
        对比： 
        LDR     r0, =0x3
        LDR     r1, =-2;（-2的补码0xfffffffe会送到r1）
        ADDS    r0, r0, r1

四、CPSR状态标志和ARM指令的条件符之间的关系

有了上面的背景知识以后，接下来思考表1中CPSR状态标志和ARM指令的条件符之间的关系，下面选取其中的一项来分析。 
        如：GE：(有符号数大于等于)
        N=0 V=0：结果是大于等于0的数，且无符合溢出，所以大于等于关系成立
        N=1 V=1：结果小于0，但有符号溢出
                            考虑以下情况：c=a-b
                            1.a<0, b<0          
                            减法操作时不可能符号溢出     
                            2.a>0, b<0         
                            可能出现N=V=1?? 如（8位数）：100-（-100）=200
                            显然a>b
                            3.a<0, b>0 
                            参照上面提到过的判断溢出标志的简单规则，可以得出：在此情况下，
                            减法操作时如果结果小于0 (N=1)，则不会出现符号溢出
                            所以（在N=1 V=1前提下a<0,b>0）这种情况不可能出现
                            4.a>0, b>0
                            减法操作不可能出现符号溢出。

其它项的分析过程类似。

五、总结

尽管以上分析看起来有点复杂，但使用时在大多数情况下用一个简单的条件测试指令即可，不需要程序员计算出条件码的精确值即可得到需要的结果