ARM指令中如何判斷一個(gè)立即數(shù)是有效立即數(shù)

2011-04-13 16:55

在ARM處理器的匯編語(yǔ)言中，對(duì)指令語(yǔ)法格式中的的常數(shù)表達(dá)式有這樣的規(guī)定：“該常數(shù)必須對(duì)應(yīng)8位位圖，即常數(shù)是由一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)移位偶數(shù)位得到的。”

首先從ARM指令系統(tǒng)的語(yǔ)法格式說(shuō)起。

一條ARM指令語(yǔ)法格式分為如下幾個(gè)部分：

{}{S} ,{,}

其中，<>內(nèi)的項(xiàng)是必須的，{}內(nèi)的項(xiàng)是可選的，如是指令助記符，是必須的，而{}為指令執(zhí)行條件，是可選的，如果不寫則使用默認(rèn)條件AL(無(wú)條件執(zhí)行)。

Opcode指令助記符，如LDR，STR等

Cond執(zhí)行條件，如EQ，NE等

S是否影響CPSR寄存器的值，書(shū)寫時(shí)影響CPSR，否則不影響

Rd目標(biāo)寄存器

Rn第一個(gè)操作數(shù)的寄存器

shifter_operand第二個(gè)操作數(shù)

其指令編碼格式如下：

31-28

27-25

24-21

20

19-16

15-12

11-0（12位）

cond

001

opcode

S

Rn

Rd

shifter_operand

當(dāng)?shù)? 個(gè)操作數(shù)的形式為：＃immed_8r常數(shù)表達(dá)式時(shí)“該常數(shù)必須對(duì)應(yīng)8位位圖，即常數(shù)是由一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)移位偶數(shù)位得到的。”

其意思是這樣：

＃immed_8r在芯片處理時(shí)表示一個(gè)32位數(shù)，但是它是由一個(gè)8位數(shù)（比如：01011010，即0x5A）通過(guò)循環(huán)移位偶數(shù)位得到（1000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0110，就是0x5A通過(guò)循環(huán)右移2位（偶數(shù)位）的到的）。

而1010 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0110，就不符合這樣的規(guī)定，編譯時(shí)一定出錯(cuò)。因?yàn)槟憧赡芡ㄟ^(guò)將1011 0101循環(huán)右移位得到它，但是不可能通過(guò)循環(huán)移位偶數(shù)位得到。1011 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0110，也不符合這樣的規(guī)定，很明顯：1 0110 1011 有9位。

為什么要有這樣的規(guī)定？

要從指令編碼格式來(lái)解釋（這就是我為什么一開(kāi)始講的是指令編碼格式），仔細(xì)看表格中的shifter_operand所占的位數(shù)：12位。要用一個(gè)12位的編碼來(lái)表示任意的32位數(shù)是絕對(duì)不可能的（12位數(shù)有2^12種可能，而32位數(shù)有2^32種）。

但是又要用12位的編碼來(lái)表示32位數(shù)，怎么辦？

只有在表示數(shù)的數(shù)量上做限制。通過(guò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)用12位的編碼來(lái)表示32位數(shù)。

在12位的shifter_operand中：8位存數(shù)據(jù)，4位存移位的次數(shù)。

8位存數(shù)據(jù)：解釋了“該常數(shù)必須對(duì)應(yīng)8位位圖”。

4位存移位的次數(shù)：解釋了為什么只能移偶數(shù)位。4位只有16種可能值，而32位數(shù)可以循環(huán)移位32次（32種可能），那就只好限制：只能移偶數(shù)位（兩位兩位地移，好像一個(gè)16位數(shù)在移位，16種移位可能）。這樣就解決了能表示的情況是實(shí)際情況一半的矛盾。

所以對(duì)＃immed_8r常數(shù)表達(dá)式的限制是解決指令編碼的第二個(gè)操作數(shù)位數(shù)不足以表示32位操作數(shù)的無(wú)奈之舉，但在我看來(lái)：這個(gè)可以說(shuō)是聰明的做法。因?yàn)槿绻苯佑?2位數(shù)來(lái)表示32位操作數(shù)，只能表示0 到（2^12-1）。大于(2^12-1)的數(shù)就沒(méi)辦法表示了。而且細(xì)細(xì)想來(lái)“8位存數(shù)據(jù)，4位存移位的次數(shù)”，應(yīng)該是最好的組合了（我并未想過(guò)所有的組合，只是順便試了幾個(gè)）。

ARM指令第二操作數(shù)#immed_8r詳解

大多數(shù)ARM通用數(shù)據(jù)處理指令有一個(gè)靈活的第2操作數(shù)(flexible second operand),這里這解釋一下其中的一種格式，#immed_8r常量的表達(dá)式。常量必須對(duì)應(yīng)于8位位圖(pattern)。該位圖在32位字中，被循環(huán)移位偶數(shù)位(0,2,4,...28,30)。合法常量0xff,0xff000,0xf000000f。非法常量：0x101,0xff04

ARM 在32位模式下，一條指令長(zhǎng)度為32位，在上述數(shù)據(jù)處理指令中，操作數(shù)2為12位。所以像0x7f02這樣的數(shù)，要兩條指令才能完成。

MOVR3, #0x7F00；E3 A0 3C 7F 該指令自己完成0x7f移位

ORRR1, R3, #2

所以直接是找不到0x7f02的

關(guān)于循環(huán)移位，其實(shí)arm中只有循環(huán)右移（ROR）。0x7f到0x7f00是通過(guò)循環(huán)右移24次才實(shí)現(xiàn)的，這里每次移動(dòng)2位所以是12次（0xc）

在 ARM 數(shù)據(jù)處理指令中, 當(dāng)參與操作的第二操作數(shù)為立即數(shù)時(shí), 每個(gè)立即數(shù)都是采用一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)位而間接得到, 其中循環(huán)右移的位數(shù)有一個(gè)4位二進(jìn)制的2倍表示. 則有效立即數(shù)可表示為: := immed_8; 循環(huán)右移(2×rotate_imm). 其中: 代表立即數(shù), immed_8 代表8位常數(shù),即所謂的"8位圖", rotate_imm 代表4位的循環(huán)右移值. 這樣一來(lái)出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題: 盡管表示的范圍變大了, 但是12位所能表現(xiàn)的數(shù)字的個(gè)數(shù)是一定的. 因此, ARM 規(guī)定并不是所有的32位常數(shù)都是合法的立即數(shù), 只有通過(guò)上面的構(gòu)造方法得到的才是合法的立即數(shù), 編譯的時(shí)候才不會(huì)報(bào)錯(cuò).

舉個(gè)例子吧.0x3FC(0000 0000 0000 0000 0000 0011 1111 1100) 是由 0xff 循環(huán)右移 2 位得到的;200(0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100 1000) 是由 0xc8 循環(huán)右移 2 位得到的, 它們都是合法的.而 0x1FE(0000 0000 0000 0000 0000 0001 1111 1110) 和511(0000 0000 0000 0000 0000 0001 1111 1111) 無(wú)法看成是8位的常數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)位而得到的, 因此是非法的.

指令操作數(shù)立即數(shù)時(shí)候，每個(gè)立即數(shù)由一個(gè)8位的常數(shù)循環(huán)右移偶數(shù)位得到。= immed_8 循環(huán)右移( 2*rotate_imm)打個(gè)比如：1.立即數(shù)0xF200是由0xCF2間接表示的，即是由8位的0xF2循環(huán)右移24（2*12）得到的immed_8 == 0xF2;rotate_imm == 0xC2.立即數(shù)0x3F0是由0xE3F間接表示的，即是由8位的0x3F循環(huán)右移28（2*14）得到的immed_8 == 0x3F;rotate_imm == 0xE或者立即數(shù)0x3F0是由0xFFC間接表示的，即是由8位的0xFC循環(huán)右移30（2*15）得到的immed_8 == 0xFC;rotate_imm == 0xF表示方法有好幾種PS：其實(shí)你沒(méi)必要一個(gè)一個(gè)的算，只要利用LDR偽指令就可以了,例如:ldr r1, =12345678編譯器自然會(huì)給你做工作，現(xiàn)實(shí)的編程中應(yīng)該也是這個(gè)居多吧

比較下來(lái), 我們可以這樣總結(jié):

1. 判斷一個(gè)數(shù)是否符合8位位圖的原則, 首先看這個(gè)數(shù)的二進(jìn)制表示中1的個(gè)數(shù)是否不超過(guò)8個(gè). 如果不超過(guò)8個(gè), 再看這n個(gè)1(n<=8)是否能同時(shí)放到8個(gè)二進(jìn)制位中, 如果可以放進(jìn)去, 再看這八個(gè)二進(jìn)制位是否可以循環(huán)右移偶數(shù)位得到我們欲使用的數(shù). 如果可以, 則此數(shù)符合8位位圖原理, 是合法的立即數(shù). 否則, 不符合.

• 無(wú)法表示的32位數(shù), 只有通過(guò)邏輯或算術(shù)運(yùn)算等其它途徑獲得了. 比如0xffffff00, 可以通過(guò)0x000000ff按位取反得到.

因此以后的編程中, 時(shí)刻檢查用到的第二操作數(shù)是否符合8位位圖是一件千萬(wàn)不能疏忽的事. 至于為什么要將這12位 operand2"八四開(kāi)", 這個(gè)問(wèn)題就要請(qǐng)教大牛了.