ARM的常数表达式

 

如果说Intel指令中的立即数,相信大家都很熟悉。类似的,Arm指令中的“立即数”就是常数表达式。之所以称为常数表达式,而不称为立即数是有原因的。

Intel指令属于CISC指令集,指令是不定长的,因此可以将任意32位立即数编码到指令内。

Arm指令属于RISC指令集,指令是定长的32字节。众所周知,指令中操作码是必须的字段,如果把32位立即数直接编码到指令内部,操作码就无“容身之地”了……

因此,Arm指令中“立即数”的位数必小于32位。那么如何在Arm指令中正常表示立即数呢?我们看看Arm的通用指令格式。

Arm指令中,操作码(opcode)、目的操作数(Rd)、源操作数1(Rn)是必须的字段。条件码(cond)、符号位标记(s)源操作数2(oprand2)是可选的。其中Rd和Rn必须是寄存器,因此Arm的“立即数”只能存储在oprand2。

在Arm的指令编码内,使用“立即数”的指令为“立即数”提供了12bit的存储空间,也就是说Arm的“立即数”只能表示212=4096个数字。这显然无法表示所有的32位立即数,如果使用这12bit表示0~4095的数字,那么从4096~(232-1)的数组都不能表示了。考虑到这种“后果”,Arm指令集的设计者们使用了一个技巧,即使用常数表达式代替立即数的概念。

常数表达式表示一个常数,且该常数对应8位的位图,即可以由一个8位的常数通过循环移位偶数位得到。

比如0x3fc可以由8位常数0xff循环左移2位或循环右移30位得到,是常数表达式。再比如0x1fe,虽然可以有0xff循环左移1位或循环右移31位得到,但是移动的位数不是偶数,因此不是常数表达式。

根据常数表达式的定义,常数表达式只需要12bit的存储空间。

12bit空间中,低8字节存储8位位图,高4字节存储循环右移的次数。4字节只能表示24=16种移动次数,但是由于常数表达式定义中,移位限定为偶数次,因此这4个字节刚好能表示0、2、4、6、8…32位16个数字!

比如0x3fc的二进制表示为0xfff,即使用8位数字0xff循环右移0xf*2=30次得到。

明确了常数表达式的含义后,可以通过简单的编程识别一个数字是否是常数表达式。

/*

循环左移两位

*/

void roundLeftShiftTwoBit(unsigned int& num)

{

unsigned int overFlow=num & 0xc0000000;//取左移即将溢出的两位

num=(num<<2) | (overFlow>>30);//将溢出部分追加到尾部

}

/*

判断num是否是常数表达式,8位数字循环右移偶数位得到

*/

bool constExpr(unsigned int num)

{

for(int i=0;i<16;i++){

if(num<=0xff)

return true;//有效位图

else

roundLeftShiftTwoBit(num);//循环左移2位

}

}

roundLeftShiftTwoBit函数将一个无符号32位整数循环左移2位,constExpr反复将一个无符号32位整数循环左移2位,直到发现该数字在0到0xff之间为止,否则表示该数字不是常数表达式。

通过常数表达式,Arm指令便避免了“立即数”仅仅局限于0~4095的数字范围的问题了。但是常数表达式仍不能表示全部的32位整数,比如0x1fe。对于非常数表达式的数字,只能通过拆分来解决。

比如Arm指令mov r0,#0x1fe不是合法的指令,因为0x1fe不是常数表达式。那么只能将0x1fe拆分,表示为两条指令,比如:

mov r0,#0xfe

add r0,r0,#0x100

除了拆分数字的方法,Arm的LDR宏使用临时变量的方式实现非常数表达式的数据传送,即:

LDR r0,=0x1fe

ldr宏指令不是Arm的真正指令,它由如下两条指令实现:

.tmp .word 0x1fe

ldr r0,.tmp

ldr r0,[r0]

Arm的ldr指令用于将内存的数据加载到寄存器。这里数字0x1fe被存储在ldr指令附近的位置.tmp处,ldr r0,.tmp被编译为ldr r0,[pc+offset]的形式,其中offset为符号.tmp相对ldr指令的偏移。这样ldr r0,.tmp获取了符号.tmp的地址,然后再次使用ldr r0,[r0]将.tmp地址处的数据取出,即0x1fe。

通过以上的描述,我们明确了Arm指令中常数表达式的真正含义,并基于此编写了一个验证常数表达式的函数。最后,我们解析了如何在Arm中实现非常数表达式数据的传送,并讨论了它的实现。希望对你理解Arm的常数表达式有所帮助。

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