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 <UIKit/UIKit.h>
#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 <UIKit/UIKit.h>
#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
存放参数和局部变量,可读可写
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

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