ARM64汇编学习笔记三(状态寄存器、内存分布)

状态寄存器--CPSR寄存器

CPU内部的寄存器中，有一种特殊的寄存器(对于不同的处理器,个数和结构都可能不同)。这种寄存器在ARM中，被称为状态寄存器就是CPSR(current program status register)寄存器。
CPSR和其他寄存器不一样，其他寄存器是用来存放数据的，都是整个寄存器具有一个含义。而CPSR寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息。
也叫标记寄存器
注:CPSR寄存器是32位的

CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4：0]）称为控制位，程序无法修改,除非CPU运行于特权模式下，程序才能修改控制位。
N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行，意义重大!

N（Negative）标志

CPSR的第31位是 N（符号标志位），它记录相关指令执行后,其结果是否为负数。
如果结果为负数，那么 N = 1；如果结果是非负数，那么 N = 0

注意：在ARM64的指令集中，有的指令的执行时影响状态寄存器的，比如adds / subs / ors等，它们大都是运算指令(进行逻辑或算数运算)

上代码测试

#import 
#import "AppDelegate.h"

void fun(){
    asm(
        "mov  w0, #0x7fffffff\n"
        "adds w0, w0, #0x1\n"
        "subs w0, w0, #0x1\n"
    );
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    fun();
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

结果为负数，N 位为 1

结果为正数，N 位为 0

Z（Zero）标志

CPSR 的第30位是 Z（0标志位），它记录相关指令执行后,其结果是否为0。
如果结果为0，那么 Z = 1；如果结果不为0，那么Z = 0

对于Z的值，我们可以这样来看，Z 标记相关指令的计算结果是否为0。

如果结果为0，则 N 要记录下"结果为0"这样的肯定信息。
在计算机中1表示逻辑真，表示肯定。所以当结果为0的时候 Z = 1，表示"结果为0"
如果结果不为0，则Z要记录下"结果不为0"这样的否定信息。
在计算机中0表示逻辑假，表示否定，所以当结果不为0的时候 Z = 0，表示"结果不为0"。

上代码测试

#import 
#import "AppDelegate.h"

void fun(){
    asm(
        "mov  w0, #0xffffffff\n"
        "adds w0, w0, #0x1\n"
        "subs w0, w0, #0x1\n"
    );
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    fun();
    @autoreleasepool {
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

结果为0，Z 位为 1

结果不为0，Z 位为1

C（Carry）标志

CPSR 的第29位是 C（进位标志位），一般情况下，进行无符号数的运算。
加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），那么 C = 1，否则C = 0
减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。

对于位数为 N 的无符号数来说，其对应的二进制信息的最高位，即第N - 1位，就是它的最高有效位，而假想存在的第N位，就是相对于最高有效位的更高位。如下图所示：

进位
我们知道，当两个数据相加的时候，有可能产生从最高有效位向更高位的进位。比如两个32位数据：0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa，将产生进位。由于这个进位值在32位中无法保存，我们就只是简单的说这个进位值丢失了。其实CPU在运算的时候，并不丢弃这个进位制，而是记录在一个特殊的寄存器的某一位上。ARM下就用C位来记录这个进位值。比如，下面的指令

mov w0, #0xaaaaaaaa  ;0xa 的二进制是 1010 ==> 1010 1010 1010 ... 1010
adds w0, w0, w0  ;执行后相当于 1010 << 1 进位1（无符号溢出）所以 C 标记 为 1
adds w0, w0, w0  ;执行后相当于 0101 << 1 进位0（无符号没溢出）所以 C 标记 为 0
adds w0, w0, w0  ;重复上面操作
adds w0, w0, w0

借位
当两个数据做减法的时候，有可能向更高位借位。再比如，两个32位数据：0x00000000 - 0x000000ff，将产生借位，借位后，相当于计算0x100000000 - 0x000000ff。得到0xffffff01 这个值。由于借了一位，所以C位用来标记借位。C = 0.比如下面指令：

mov w0, #0x0
subs w0, w0, #0xff 
subs w0, w0, #0xff
subs w0, w0, #0xff

V（Overflow）溢出标志

CPSR的第28位是V（溢出标志位），一般情况下，在进行有符号数运算的时候，如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。

正数 + 正数 = 值为负数溢出 V = 1
负数 + 负数 = 值为正数溢出 V = 1
正数 + 负数不可能溢出 V = 0

内存分布

内存分布	特性
代码区	可读可写
栈	存放参数和局部变量，可读可写
堆	动态申请，可读可写
全局区	可读可写
常量区	只读

adrp 指令

是计算指定的数据地址到当前PC值的相对偏移。

adrp x0, 1
/*
  假设当前的 PC 寄存器为 0x1002e6874
  1.先将1的值左移12位二进制位则为 1 0000 0000 0000 ==> 0x1000
  2.将 PC 寄存器的低12位清零，也就是 0x1002e6874 ==> 0x1002e6000
  3.最后将1和2的结果相加给 x0 寄存器，
    x0 = 0x000001000 + 0x1002e6000
    x0 = 0x1002e7000
*/

补充：

有符号数有正负数之分

计算机存储数据它会分为有符号数和无符号数。
有符号数是针对二进制来讲的。用最高位作为符号位，“0”代表“+”，“1”代表“-” ；其余数位用作数值位，代表数值。
有符号数的表示：计算机中的数据用二进制表示，数的符号也只能用0/1表示。一般用最高有效位（MSB）来表示数的符号，正数用0表示，负数用1表示。

32位 int 中 0x7FFFFFFF为最大值2^31 - 1 、0x80000000为最小值-2^31

我们来看看0x80000000的输出
- 0x80000000的二进制位原码为 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000
- 若最高位是符号位为1，为负数，则为 -0。
- 可是在代码执行 int i = 0x80000000 ，却输出为 i = -(2^31)。
- 原因是在十六进制中负数的二进制原码的最高位是符号位，后面的31位为序号位，不是值位。
- 1后面的000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，表示序号1，表示负数中，从小到大的第一位。
- 由于 int 的最小值为 -(2^31)，排在负数从小到大的序号0，所以 int i = 0x80000000，输出为 i = -(2^31)。
我们来看看0xFFFFFFFF的输出
- 0xFFFFFFFF的二进制原码为 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
- 最高位是符号位为1 ，为负数，序号位为第(2^31) - 1位（111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111=（2^31-1），
- 所以 0xFFFFFFFF 为负数从小到大第2^31-1位，即 -(2^31) + (2^31-1) = -1

总结：数值 = 该符号下最小值 + 序号位表示数