【ARM汇编】Condition Flags and Codes

每一种实用的通用计算架构都存在有条件执行某些代码的机制。 例如，这种机制用于实现 C 语言中的 if 结构，此外还有其他一些不太常见的情况；与许多其他架构一样，Arm 也使用一组标记（flags）来实现条件执行，这些标记存储了有关先前操作的状态信息。

案例

请看一段简单的 C 代码：

for (i = 10; i != 0; i--) {
    do_something();
}

编译器可按如下方式实现该结构：

mov r4, 10
loop_label:
	bl 		do_something
	sub 	r4, r4, #1
	cmp 	r4, #0
	bne 	loop_label

最后两条指令尤其值得关注。cmp指令将r4和0进行比较，如果cmp的结果是not equal（不等于），那么bne指令只是一条b(branch)条件指令。代码之所以能运行，是因为cmp指令设置了一些全局标志，表示操作的各种属性。而bne指令实际上只是一个带有 ne条件代码后缀的 b(branch)指令，通过读取这些标志来决定是否进行分支跳转。

下面的代码实现了一个更有效的解决方案：

mov r4, 10
loop_label:
	bl 		do_something
	subs 	r4, r4, #1
	bne 	loop_label

在 sub 指令添加后缀 s 会使其根据运算结果自行更新标志。 这个后缀可以添加到许多（但不是所有）算术和逻辑运算中。

文章的后续，我将解释CPSR条件标志是什么、它们存储在哪里，以及如何使用条件代码来测试它们。

The Flags

设置条件标志的最简单方法是使用比较操作，如cmp。 这种机制在许多处理器架构中都很常见，而且 cmp的语义（如果不考虑细节的话）可能也很相似。此外，我们已经看到，许多指令（如示例中的 sub）都可以通过添加 s 后缀进行修改，并根据结果更新条件标志。 这一切都很好，但标志存储的是什么信息，我们又该如何访问这些信息呢？

附加信息存储在 APSR（应用处理器状态寄存器）或 CPSR（当前处理器状态寄存器）中，这些标记表示简单的属性，如结果是否为负数，并通过各种组合来检测更高层次的关系，如 "大于 "等。 描述完标记后，我将解释它们如何映射到条件代码（如上一示例中的 ne）。

在 Armv7 上，尽管APSR和 CPSR有不同的名称，但实际是一样的，仅几个条件标志是为APSR定义的，其他无法访问，所以无论如何都不应该直接访问APSP的其他位，APSR本质是对CPSR在应用层的精简。

注意：GCC < 4.3.3版本不支持APSR，如果要访问，则必须在汇编代码中使用CPSR。

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N: Negative

N标志置位：说明指令结果为负

Z: Zero

Z标志置位：说明指令结果为零

C: Carry (or Unsigned Overflow)

C标志置位：说明无符号运算的结果溢出 32 位寄存器（该位可用于实现 64 位无符号运算）

V: (Signed) Overflow

V标志置位原理和C标志一致都是溢出，但是有符号运算。

例如，0x7fffffff是32位所表示最大的二进制整数，当0x7fffffff + 0x7fffffff会造成有符号溢出，此时V标志置位，但不是一个无符号溢出/进位 (0xfffffffe)，所以C标志不置位。

标志设置案例

请看下面的例子：

ldr r1, =0xffffffff
ldr r2, =0x00000001
adds r0, r1, r2

操作计算的结果将会是0x100000000最高位会被丢弃，因为32位目标寄存器无法储存，所以最终的真实结果是：0x00000000，案例的标志位最终结果：

Flag	Explanation
N = 0	结果为0，被认为是正值，因此N（negative）位置0
Z = 1	结果为0，所以Z(zero)位置1
C = 1	由于运算结果无法容纳 32 位寄存器 最高位被丢弃，所以处理器会将 C（carry）位置 1
V = 0	从二进制带符号的算术角度，0xffffffffff实际上表示-1，因此所做的运算实际上是(-1) + 1 = 0，该运算显然没有溢出，因此V（overflow）位置 0

如果你感兴趣，你可以通过ccdemo应用程序进行检查，输出类似：

$ ./ccdemo adds 0xffffffff 0x1
The results (in various formats):
       Signed:         -1 adds          1 =          0
     Unsigned: 4294967295 adds          1 =          0
  Hexadecimal: 0xffffffff adds 0x00000001 = 0x00000000
Flags:
  N (negative): 0
  Z (zero)    : 1
  C (carry)   : 1
  V (overflow): 0
Condition Codes:
  EQ: 1    NE: 0
  CS: 1    CC: 0
  MI: 0    PL: 1
  VS: 0    VC: 1
  HI: 0    LS: 1
  GE: 1    LT: 0
  GT: 0    LE: 1

如何读取标志

我们已经搞清楚如何去设置标志，但是去有条件执行一些代码的结果是什么？如果你不能去反应他们，那么去设置这些标志是无意义的。

最常见的测试标志的方式是使用条件执行指令，这个指令和其他结构是相似的，如果你熟悉其他指令，那么你可能识别，

我们已经知道了如何设置标记，但如何才能有条件地执行某些代码呢？ 如果不能对标记做出反应，那么设置标记就毫无意义。

测试标记的最常用方法是使用条件执行代码。 这种机制与其他体系结构中使用的机制类似，因此，如果你熟悉其他机器，你可能会识别出以下模式，它与 C 的 if/else 结构一一对应：

cmp		r0, #20
bhi		do_something_else
do_someing:
	@ This code runs if (r0 <= 20).
	b 	continue		@Prevent do_something_else from executing.
do_something_else:
	@ This code runs if (r0 > 20).
continue:
	@ Other code

实际上，将其中一个条件代码附加到指令中，如果条件为真，指令就会执行。 否则，指令什么也不执行，基本上就是一个 nop。

下表列出了可用的条件代码，其含义（标志位由cmp或subs指令设置）以及要测试的标志位：

Code	Meaning(for cmp or subs)	Flags Tested
eq	Equal	Z==1
ne	Not equal	Z==0
cs or hs	Unsigned highter or same (or carry set)	C==1
cc or lo	Unsigned Lower (or carry clear)	C==0
mi	Negative. The mnemonic stands for “minus”	N==1
pl	Positive or zero. The mnemonic stands for “plus”	N==0
vs	Signed overflow. The mnemonic stands for “V set”	V==1
vc	No signed overflow. The mnemonic stands for “V Clear”	V==0
hi	Unsigned higher	（C1)&& （Z0）
ls	Unsigned lower or same	（C0）&& （Z1）
ge	Signed greater than or equal	N==V
lt	Signed less than	N!=V
gt	Signed greater than	（Z0）&& （NV）
le	Signed less than or equal	（Z==1）|| （N!=V）
al(or ommitted)	Always executed	None tested

前几个代码的原理非常明显，因为它们测试的是单个标志，但其他代码依赖于特定组合的标志。在实际操作中，你很少需要知道具体发生了什么，助记符掩盖了比较的复杂性。

下面是我之前给出的 for 循环代码示例：

mov r4, 10
loop_label:
	bl 		do_something
	subs 	r4, r4, #1
	bne 	loop_label

现在应该很容易弄清楚这里到底发生了什么：

• subs指令根据r4 - 1的结果设置标志。特别是，如果结果是0，Z标志位将被置位（Z=1），如果结果是其他，Z标志将被复位(Z=0)。
• bne指令只有在ne条件为真的情况下才会执行，而只有当Z=0时，ne条件才为真，所以bne会遍历循环，直到Z被置1（即此时r4 = 0）。

专用比较指令

cmp指令（我们在第一个案例看到过）可以看做是一条不储存结果的sub指令；如果两个操作数相同，减法的结果将为零，因为eq和Z标志之间存在映射关系。 当然，我们也可以使用假寄存器的sub指令，但只有在有空余寄存器的情况下才能这样做。 因此，专用比较指令非常常用。

实际上有四条专用比较指令，它们执行的操作如下表所示：

Instruction	Description
cmp	Works like subs, but does not store the result.
cmn	Works like adds, but does not store the result.
tst	Works like ands, but does not store the result.
teq	Works like eors, but does not store the result.

请注意，专门的比较操作不需要后缀 s；它们只更新标志，因此后缀是多余的。

结束语

虽然条件标志机制在原理上相当简单，但需要考虑的细节很多，看一些实际例子可能会有所帮助！ 我将在今后的博文中介绍一些实际使用的例子。

[文章翻译来源]：condition-codes-1-condition-flags-and-codes

更好的翻译不如原文的表达精确，希望大家有能力的情况下，阅读英文原文章！