ARM Cortex-M3 学习笔记(4-4)

最近在学ARM Cortex-M3，找了本号称很经典的书“An Definitive Guide to The ARM Cortex-M3”在看。这个系列学习笔记其实就是在学习这本书的过程中做的读书笔记。

无条件跳转指令

跳转指令分为无条件跳转和有条件跳转两大类。无条件跳转类指令非常简单，常见的就四种形式。

 

B Label ;跳转到Label处对应的地址, 无条件跳转指令

BX reg ;跳转到由寄存器reg给出的地址, 无条件跳转指令

BL Label ;跳转到Label对应的地址，并且把跳转前的下条指令地址保存到LR

BLX reg ;跳转到由寄存器reg给出的地址，并根据REG的LSB切换处理器状态，还要把转移前的下条指令地址保存到LR

 

标志位与条件转移指令

在讲解条件跳转指令之前。先要讲讲APSR中的四个四个标志位：N, Z, C, V。

实际上，Cortex-M3中的APSR的标志位共有5个，但只有NZCV这四个可以用于条件跳转指令。下图中先给出Cortex-M3中的程序状态寄存器（xPSR）的位图。

图 1 Cortex-M3中的程序状态寄存器（xPSR）

可以看出，NZCV这四位位于xPSR 的最高四位。这四位的作用分别如下：

标志位	作用
N	负数（上一次操作的结果是个负数）。N=操作结果的MSB
Z	零（上次操作的结果是0）。当数据操作指令的结果为0，或者比较/测试的结果为0时，Z置位。
C	进位（上次操作导致了进位）。C用于无符号数据处理，最常见的就是当加法进位及减法无借位时C被置位。此外，C还充当移位指令的中介（详见v7M参考手册的指令介绍节）。
V	溢出（上次操作结果导致了数据的溢出）。该标志用于带符号的数据处理。比如，在两个正数上执行ADD运算后，和的MSB为1（视作负数），则V置位。

关于C和V这两位我要多说几句。Cortex-M3中的进位标志与其他一些单片机有些不同。对加法运算它表示的是结果有进位，这与其他单片机中的含义是相同的。对减法运算，它表示的是结果无借位，与有一些单片机（比如Freescale 的68HC11/12系列）中的含义正好相反。之所以这里这样定义进位标志，我想是这样考虑的。整数的减法运算A-B实际是转化为了A+(-B)，-B用补码表示。进位标志C指示的是A与(-B)相加时是否有进位。A-B无进位等价于A+(-B)有进位。当然，后来我发现有个特例，就是当B=0时，(-B)=0，A-0 是没有进位的，但A+(-0)也没有进位。这时可以这样理解，对0取反操作时，也就是得到-0时已经产生的进位（取反加1，加1时进位了）。所以结果也认为是进位了。

 

溢出位(V)置位有四种情况：

1.        两个整数相加结果为负数时

2.        两个负数相加结果为正数时

3.        一个正数减一个负数结果为负数时

4.        一个负数减一个正数结果为正数时

这四种情况与我们的直观是一致的，因此不需要特殊记忆。

 

担任条件跳转及条件执行的判据时，这4个标志位既可单独使用，又可组合使用，以产生共15种跳转判据，如下表所示。

 

符号	条件	关系到的标志位
EQ	相等(EQual)	Z==1
NE	不等（NotEqual）	Z==0
CS/HS	进位(CarrySet) 无符号数大于等于	C==1
CC/LO	未进位(CarryClear) 无符号数小于	C==0
MI	负数(MInus)	N==1
PL	非负数	N==0
VS	溢出	V==1
VC	未溢出	V==0
HI	无符号数大于	C==1 && Z==0
LS	无符号数小于等于	C==0 || Z==1
GE	带符号数大于等于	N==V
LT	带符号数小于	N!=V
GT	带符号数大于	Z==0 && N==V
LE	带符号数小于等于	Z==1 || N!=V
AL	总是	-

 

上面的表格将各种情况都罗列的很清楚，但为什么是这样还是值得详细地说说的。

EQ、NE、MI、PL、VS、VC和AL 很好理解，不用多说。

值得细说的是CS/HS、CC/LO、HI、LS、GE、LT、GT、LE。

首先，我们知道在计算机中，整数分为有符号型和无符号型。这两种类型的判别是不同的。先说无符号数。假设有两个无符号整数A和B。他们之间的关系可以为：

A==B、A!=B、A>B、A>=B、A

判断的方法就是两数字相减A-B=D，然后看标志位。

A==B、A!=B 看 Z 位就可以了，这里不详述。

对于A>B，首先Z==0（表明两数不相等），然后得到的结果必须满足D<=A，也就是进位标志C==1（表示减法时没有产生借位），合起来就是Z==0&& C==1，这时用后缀HI。这里啰嗦一句，进位标志置1的含义是加法时产生了进位或减法时没有产生借位。

对于A>=B，只用进位标志C==1（没有产生借位）就可以了，用后缀HS或CS。

对于A

对于A<=B，要么就是Z==1（两数相等），要么C==0（A

 

假设A和B是有符号整数。他们之间的关系同样可以为：

A==B、A!=B、A>B、A>=B、A

A==B、A!=B 看 Z 位就可以了。

其他的比较稍微困难一些，我们要用到溢出位V。

对于A>B，有三种可能的情况

A、B都是正数，结果D是正数。Z==0 && V==0 && N==0

A、B都是负数，结果D是正数。Z==0 && V==0 && N==0

A是正数、B是负数，结果D可能是正数（Z==0 && V==0 && N==0）也可能是负数（V==1 && N==1）

对于A

A、B都是正数，结果D是负数。V==0 && N==1，不用考虑Z，因为N==1决定了Z==0

A、B都是负数，结果D是负数。V==0 && N==1，不用考虑Z，因为N==1决定了Z==0

A是负数、B是正数，结果D可能是正数（V==1 && N==0）也可能是负数（V==0&& N==1），与上面的情况类似，V如果等于1了，Z必然等于0，所以还是不用考虑Z。

 

综合上面六种情况，我们可以得到：

A>B 等价于 Z==0 && V==N

A

 

有了上面的分析，下面两种情况就很容易得到答案了。

对于A>=B，V==N 就足够了

对于A<=B，Z==1 || V!= N

 

IF-THEN 指令块

IF-THEN(IT)指令块在其他的单片机中没有见过，这里值得讲一讲。

IF-THEN(IT)指令围起一个块，里面最多有4条指令，它里面的指令可以条件执行。

 

IT的使用形式如下：

IT ;围起1条指令的IF-THEN块

IT ;围起2条指令的IF-THEN块

IT ;围起3条指令的IF-THEN块

IT ;围起4条指令的IF-THEN块

其中, ,的取值可以是“T”或者“E”。下面是个例子：

要实现如下的功能：

if (R0==R1)

{

R3 = R4 + R5;

R3 = R3 / 2;

}

else

{

R3 = R6 + R7;

R3 = R3 / 2;

}

可以写作：

CMP R0, R1 ; 比较R0和R1

ITTEE

ADDEQ R3, R4, R5 ; 相等时加法EQ ; 如果R0 == R1,Then-Then-Else-Else

ASREQ R3, R3, #1 ; 相等时算术右移

ADDNE R3, R6, R7 ; 不等时加法

ASRNE R3, R3, #1 ; 不等时算术右移

 

IT指令块的初衷应该是避免了在执行转移指令时，对流水线的清洗和重新指令预取的开销，但是最多只能有四条指令，使它的使用范围也很受限。可能也就是C语言中用到“：？”运算符的地方比较容易汇编为IT指令块了。还有个边很短小的if判断，能够被这么优化。