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跳转指令B及带连接的跳转指令BLX上
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2017-10-19
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跳转（B）和跳转连接（BL）指令是改变指令执行顺序的标准方式。ARM一般按照字地址顺序执行指令，需要时使用条件执行跳过某段指令。只要程序必须偏离顺序执行，就要使用控制流指令来修改程序计数器。尽管在特定情况下还有其他几种方式实现这个目的，但转移和转移连接指令是标准的方式。
跳转指令改变程序的执行流程或者调用子程序。这种指令使得一个程序可以使用子程序、if-then-else结构以及循环。执行流程的改变迫使程序计数器PC指向一个新的地址，ARMv5架构指令集包含的跳转指令如表8.1所示。
表8.1 ARMv5架构跳转指令
助记符说 明操 作
B跳转指令pc←label
BL带返回的连接跳转pc←label（lr←BL后面的第一条指令）
BX跳转并切换状态pc←Rm&0xfffffffe， T←Rm&1
BLX带返回的跳转并切换状态pc←lable， T←1
pc←Rm&0xfffffffe， T←Rm&1
lr←BL后面的第一条指令
另一种实现指令跳转的方式是通过直接向PC寄存器中写入目标地址值，实现在4GB地址空间中任意跳转，这种跳转指令又被称为长跳转。如果在长跳转指令之前使用“MOV LR”或“MOV PC”等指令，可以保存将来返回的地址值，也就实现了在4GB的地址空间中的子程序调用。
在ARMv5以前的版本中，传送到PC寄存器中的目标地址值的低两位bits［1∶0］被忽略，跳转指令只能在ARM指令集中执行，即程序不能从ARM状态切换到Thumb状态。在非T系列版本5的ARM体系不含Thumb指令，当程序试图切换到Thumb状态时，将产生未定义指令异常中断。
在ARMv5以后的版本中，有两种类型的带连接的跳转切换指令（BLX），叙述如下。
（1）形式如“BLX 《Rm》”，它是一种类似于带寄存器Rm的BX指令。指令执行BX操作，同时将返回地址放到LR寄存器中。这种形式的带状态切换的跳转连接指令，方便了ARM/Thumb互交的子程序调用。
（2）另一种类型的BLX指令类似于BL指令，指令使程序跳转到指定地址，并将返回地址保存到LR寄存器中，该指令能够实现32MB地址空间的跳转。与BL指令的不同之处在于它返回到Thumb状态，而不是ARM状态。
8.1 跳转指令B及带连接的跳转指令BL
1．指令编码格式
跳转指令B使程序跳转到指定的地址执行程序。带连接的跳转指令BL将下一条指令的地址拷贝到r14（即返回地址连接寄存器LR）寄存器中，然后跳转到指定地址运行程序。需要注意的是，这两条指令和目标地址处的指令都要属于ARM指令集。两条指令都可以根据CPSR中的条件标志位的值决定指令是否执行。
指令的编码格式如图8.1所示。
图8.1 B&BL指令编码格式
2．指令的语法格式
B{L}{《cond》} 《target_address》
① 《cond》
为指令编码中的条件域。它指示指令在什么条件下执行。当《cond》忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。
② L
L位（bit［24］）=1，指令存储返回地址到LR；L位（bit［24］）=0，指令仅实现跳转，不保存返回指令。
③ 《target_addrss》
指令跳转的目标地址。指令通过下面的方法计算目标地址。
· 将24位的立即数符号扩展为32位。
· 将扩展后的32位立即数左移两位。
· 将得到的值加到PC寄存器中，即得到跳转的目标地址。
注意由于以上原因，B和BL指令只能实现±32MB空间的跳转。
3．指令操作的伪代码
指令操作的伪代码如下面程序段所示。
If conditionPassed{cond} then
If L==1 then
LR = address of the instruction after the branch instruftion
PC = PC + （SignExtend（signed_immed_24）《《2）
4．指令的使用
BL指令用于实现子程序调用。子程序的返回可以通过将LR寄存器的值复制到PC寄存器来实现。下面三种指令可以实现子程序返回。
· BX r14（如果体系结构支持BX指令）。
· MOV PC，r14。
· 当子程序在入口处使用了压栈指令：
STMFD r13！，{《registers》，r14}，
可以使用指令。
LDMFD r13！，{《registers》，PC}
将子程序返回地址放入PC中。
ARM汇编器通过以下步骤计算指令编码中的signed_immed_24。
（1）将PC寄存器的值作为本跳转指令的基地址值。
（2）从跳转的目标地址中减去上面所说的跳转的基地址，生成字节偏移量。由于ARM指令是字对齐的，该字节偏移量为4的倍数。
（3）当上面生成的字节偏移量超过－33554432～+33554430时，不同的汇编器使用不同的代码产生策略。
（4）否则，将指令编码字中的signed_immed_24设置成上述字节偏移量的bits［25∶2］。
注意在一些RISC体系结构的处理器中，存在延时跳转（delayed branch）模式，即在程序执行跳转指令跳转到目标地址之前，程序会执行跳转指令之后的指令。但在ARM体系中，没有这种延时跳转机制。
5．指令举例
（1）程序跳转到LABLE标号处。
B LABLE ；
ADD r1，r2，＃4
ADD r3，r2，＃8
SUB r3，r3，r1
LABLE
SUB r1，r2，#8
（2）跳转到绝对地址0x1234处。
B 0x1234
（3）跳转到子程序func处执行，同时将当前PC值保存到LR中。
BL func
（4）条件跳转：当CPSR寄存器中的C条件标志位为1时，程序跳转到标号LABLE处执行。
BCC LABLE
（5）通过跳转指令建立一个无限循环。
LOOP
ADD r1，r2，＃4
ADD r3，r2，＃8
SUB r3，r3，r1
B LOOP
（6）通过使用跳转使程序体循环10次。
MOV r0，＃10
LOOP
SUBS r0，＃1
BNE LOOP
（7）条件子程序调用示例。
……
CMP r0，＃5 ;如果r0《5
BLLT SUB1 ;则调用
BLGE SUB2 ;否则调用SUB2
注意只有SUB1不改变条件码，本例才能正确执行，因为如果BLLT执行了转移，将返回到BLGE指令。如果条件码被SUB1子程序改变，则SUB2可能又会被执行，从而达不到指令的预期效果。
跳转指令改变程序的执行流程或者调用子程序。这种指令使得一个程序可以使用子程序、if-then-else结构以及循环。执行流程的改变迫使程序计数器PC指向一个新的地址，ARMv5架构指令集包含的跳转指令如表8.1所示。
表8.1 ARMv5架构跳转指令
助记符说 明操 作
B跳转指令pc←label
BL带返回的连接跳转pc←label（lr←BL后面的第一条指令）
BX跳转并切换状态pc←Rm&0xfffffffe， T←Rm&1
BLX带返回的跳转并切换状态pc←lable， T←1
pc←Rm&0xfffffffe， T←Rm&1
lr←BL后面的第一条指令
另一种实现指令跳转的方式是通过直接向PC寄存器中写入目标地址值，实现在4GB地址空间中任意跳转，这种跳转指令又被称为长跳转。如果在长跳转指令之前使用“MOV LR”或“MOV PC”等指令，可以保存将来返回的地址值，也就实现了在4GB的地址空间中的子程序调用。
在ARMv5以前的版本中，传送到PC寄存器中的目标地址值的低两位bits［1∶0］被忽略，跳转指令只能在ARM指令集中执行，即程序不能从ARM状态切换到Thumb状态。在非T系列版本5的ARM体系不含Thumb指令，当程序试图切换到Thumb状态时，将产生未定义指令异常中断。
在ARMv5以后的版本中，有两种类型的带连接的跳转切换指令（BLX），叙述如下。
（1）形式如“BLX 《Rm》”，它是一种类似于带寄存器Rm的BX指令。指令执行BX操作，同时将返回地址放到LR寄存器中。这种形式的带状态切换的跳转连接指令，方便了ARM/Thumb互交的子程序调用。
（2）另一种类型的BLX指令类似于BL指令，指令使程序跳转到指定地址，并将返回地址保存到LR寄存器中，该指令能够实现32MB地址空间的跳转。与BL指令的不同之处在于它返回到Thumb状态，而不是ARM状态。
8.1 跳转指令B及带连接的跳转指令BL
1．指令编码格式
跳转指令B使程序跳转到指定的地址执行程序。带连接的跳转指令BL将下一条指令的地址拷贝到r14（即返回地址连接寄存器LR）寄存器中，然后跳转到指定地址运行程序。需要注意的是，这两条指令和目标地址处的指令都要属于ARM指令集。两条指令都可以根据CPSR中的条件标志位的值决定指令是否执行。
指令的编码格式如图8.1所示。
图8.1 B&BL指令编码格式
2．指令的语法格式
B{L}{《cond》} 《target_address》
① 《cond》
为指令编码中的条件域。它指示指令在什么条件下执行。当《cond》忽略时，指令为无条件执行（cond=AL（Alway））。
② L
L位（bit［24］）=1，指令存储返回地址到LR；L位（bit［24］）=0，指令仅实现跳转，不保存返回指令。
③ 《target_addrss》
指令跳转的目标地址。指令通过下面的方法计算目标地址。
· 将24位的立即数符号扩展为32位。
· 将扩展后的32位立即数左移两位。
· 将得到的值加到PC寄存器中，即得到跳转的目标地址。
注意由于以上原因，B和BL指令只能实现±32MB空间的跳转。
3．指令操作的伪代码
指令操作的伪代码如下面程序段所示。
If conditionPassed{cond} then
If L==1 then
LR = address of the instruction after the branch instruftion
PC = PC + （SignExtend（signed_immed_24）《《2）
4．指令的使用
BL指令用于实现子程序调用。子程序的返回可以通过将LR寄存器的值复制到PC寄存器来实现。下面三种指令可以实现子程序返回。
· BX r14（如果体系结构支持BX指令）。
· MOV PC，r14。
· 当子程序在入口处使用了压栈指令：
STMFD r13！，{《registers》，r14}，
可以使用指令。
LDMFD r13！，{《registers》，PC}
将子程序返回地址放入PC中。
ARM汇编器通过以下步骤计算指令编码中的signed_immed_24。
（1）将PC寄存器的值作为本跳转指令的基地址值。
（2）从跳转的目标地址中减去上面所说的跳转的基地址，生成字节偏移量。由于ARM指令是字对齐的，该字节偏移量为4的倍数。
（3）当上面生成的字节偏移量超过－33554432～+33554430时，不同的汇编器使用不同的代码产生策略。
（4）否则，将指令编码字中的signed_immed_24设置成上述字节偏移量的bits［25∶2］。
注意在一些RISC体系结构的处理器中，存在延时跳转（delayed branch）模式，即在程序执行跳转指令跳转到目标地址之前，程序会执行跳转指令之后的指令。但在ARM体系中，没有这种延时跳转机制。
5．指令举例
（1）程序跳转到LABLE标号处。
B LABLE ；
ADD r1，r2，＃4
ADD r3，r2，＃8
SUB r3，r3，r1
LABLE
SUB r1，r2，#8
（2）跳转到绝对地址0x1234处。
B 0x1234
（3）跳转到子程序func处执行，同时将当前PC值保存到LR中。
BL func
（4）条件跳转：当CPSR寄存器中的C条件标志位为1时，程序跳转到标号LABLE处执行。
BCC LABLE
（5）通过跳转指令建立一个无限循环。
LOOP
ADD r1，r2，＃4
ADD r3，r2，＃8
SUB r3，r3，r1
B LOOP
（6）通过使用跳转使程序体循环10次。
MOV r0，＃10
LOOP
SUBS r0，＃1
BNE LOOP
（7）条件子程序调用示例。
……
CMP r0，＃5 ;如果r0《5
BLLT SUB1 ;则调用
BLGE SUB2 ;否则调用SUB2
注意只有SUB1不改变条件码，本例才能正确执行，因为如果BLLT执行了转移，将返回到BLGE指令。如果条件码被SUB1子程序改变，则SUB2可能又会被执行，从而达不到指令的预期效果。
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