ARM的跳轉及指令集切換

B BL BX BLX Thumb與ARM的切換

條件分支就是典型的跳轉指令，這在編程中必不可少，arm有2種方式支持指令跳轉

• 使用B系列指令(B有很多帶后綴的其他指令)
• 直接修改pc的值

跳轉指令 B

• B，就是最直接最基礎的跳轉，沒有副作用
• BL，將BL的下一條指令保存在lr寄存器中，然后跳轉，這種跳轉方式通常需要在執行跳轉任務后需要回到出發處的

除了這2個最基本的通用跳轉外，還有與狀態寄存器想配合的條件跳轉；因為arm架構指令集本身就是帶執行條件的架構， 與狀態寄存器搭配使用的跳轉有比如 beq，bge，blcc等。需要注意的是跳轉目的地並非直接編碼入指令中的，而是目的地的偏移地址，也就是the_jump_target_addr = current_addr+offset_addr中的那個offset_addr；這樣的意義可以大幅的減少編碼位置的占用，因此thumb跟arm指令集占用的偏移長度位數是不一樣的，arm能訪問到的內容空間是上下32M，而thumb訪問的空間是上下16M

arm與thumb的跳轉空間

因為指令編碼的原因，B系指令跳轉空間受限，而直接將一個地址值立即數寫入pc跳轉是可行的，這樣就不受限地址空間。不過這里比較棘手的問題在於arm流水線問題：

單周期最佳流水線

大部分時候跳轉后都需要調回來，這時候需要知道當前指令的地址值，那么當前指令的地址值就是此時pc寄存器中的值嗎？答案是否定的，因為arm中fetch、decode excute三級流水的結構，導致本條指令執行時，pc的值已經是下下條指令的地址值了，這對於arm指令集而言是current_code_addr = pc - 8，而對於thumb指令集而言current_code_addr = pc - 4；可能有的cpu設計了不止3級流水線，或者有5級流水線（取指、譯碼、執行、訪存、回寫5級流水線），但是前三條結構是一致的，因此無論如何pc寄存器與當前指令的地址值關系是確定的。

因此，這里的麻煩之處在於需要計算准確的pc值，而這又取決於不同的指令集，當然，這是出現在讀pc寄存器值時候的問題。

寫 pc 指針並不會出現讀 pc 指針的問題，在 thumb 指令集中，add、 mov、pop等指令可以寫 pc 執行跳轉，寫入 PC 的值將會被強制對齊，對齊的字節數根據對應的指令集而定，thumb下是半字(2字節)，arm下是字(4字節)。除了通用指令寫 pc，還有一些專門用於跳轉的指令默認操作的就是 pc 指針，比如 B、BL、BX、BLX 等，這些是一些復合指令，也就是說這些指令包含的操作可能不僅僅是對 pc 的操作，可能還隱含其它操作（比如修改lr寄存器和切換指令集）

指令集切換

armv7支持thumb和arm兩種指令集，分別用16bits和32bits指令長度，這兩種長度各有優劣，比如thumb指令集的指令密度是要大於arm指令集的 ，而arm指令集的性能則更為強大（因為更長的指令編碼可以將多個步驟合一以及更多資源的訪問能力），因此將兩者結合起來使用做到指令切換是有其現實積極意義的（不過這給程序員造成了一些麻煩）

• BX

  BX Rm，rm有4bits，因此支持r0~r15，在arm指令集下bx的指令編碼格式是:

  

bx指令的arm編碼格式

顯然，在arm指令集下是支持cond條件執行的，因此有bxz、bxne等指令；使用bx切換指令集的依據是根據跳轉目標地址的最后1bits決定，arm指令集是定長4字節，因此其指令地址值不可能為奇數，這就決定了其最后1bit不可能為1，因此利用這個特性，bx指令當發現跳轉目的地址最后一位為0時，則切換或者保持在arm指令集，否則，將切換或保持在thumb指令集。

• BLX

  blx是帶返回的跳轉，它的指令集切換分為2種情況：

  • blx register
  • blx imm

  當為blx register時，情況與bx相同。

  當為blx imm時，則為無條件指令切換，也就是若當前為arm指令集，則切換到thumb指令集，若當前為thumb指令集，則切換到arm指令集。

當直接采用修改pc寄存器的值來做跳轉時，也涉及到指令集切換的問題，這一情況與bx一致，也是根據跳轉目標地址的最后1bit來做決定。

main:
    adr r0，back       #獲取 back 標號的地址
    push {r0}          #將 back 地址保存在棧上
    adr r0，foo        #獲取 foo 標號的地址，當前處於 arm 指令集
    add r0，r0，#1     #將 foo 地址最后一位加1，表示切換到 thumb 指令集
    mov pc，r0         #跳轉到 foo 地址
back:
    blx _exit          #退出
.thumb                 #指定代碼編譯為 thumb 指令集
foo:
    pop {pc}           #將棧上保存的 back 標號地址賦值給 pc，即實現跳轉，同時指令集切換為 arm

上面有幾處需要注意：

• adr偽指令的使用，arm的跳轉都是基於偏移而非絕對地址，因此使用pc進行跳轉時需要將偏移值賦值給pc寄存器，而這又是一件比較麻煩的事，我們需要跳轉到back地址，不能直接將標簽back處的地址值賦值給pc寄存器，應該是當前跳轉執行指令地址值 - back得到一個偏移值，然后賦值給pc，那么，當前跳轉執行指令地址值是多少呢，顯然就是當前這條指令的pc值，但是，因為流水線的存在，實際上此時的pc已經位於下下條指令處，因此此刻的真實pc值應該是pc-4或者pc-8，具體是減多少，這取決於此刻是thumb指令集還是arm指令集，這就是棘手的地方！也就是我們必須首先判斷此刻是什么指令集，然后再用pc減去對應的大小，最終算得偏移賦值給pc寄存器，一個簡單的跳轉，實在太難了...好在！adr的出現幫我們解決了這個問題，我們完全不用操心此刻是什么指令集模式，也不用手動去做標簽的減法，adr偽指令編譯器會幫我們轉換為合適的真實硬件指令，得到最終的跳轉偏移值，簡直大救星！！！
• add r0，r0，#1，將地址值加一，是的最后1bit為1，這樣目標地址就被切換為thumb指令集（因為我們的跳轉目標foo為thumb指令集模式）
• pop {pc}，將棧中保持的立即數（之前push的返回地址）pop賦值給pc寄存器，因為此時處於thumb指令集模式下，因此直接切換成arm指令集

需要注意的是，切換指令集是匯編指令運行時的事，而某指令是用何種指令集是在匯編編期就決定（通過偽指令.arm和.thumb決定），因此使用匯編指令跳轉到某目標地址，當該地址處的指令集為arm時，而你跳轉時卻切換為了thumb，那么會運行失敗，反之亦然。（因此在編寫跳轉指令時，需要明確跳轉的目標地址處是什么指令集，該切換指令集時切換，不該切換時別瞎切~）