詳解匯編語言B和LDR指令與相對跳轉和絕對跳轉的關系
為什么要有相對跳轉和絕對跳轉?
順序執行：指令一條一條按照順序往下執行，比如變量的定義和賦值都是按照順序執行的。跳轉執行：當指令執行到當前位置后跳轉到其他位置執行。比如，在主函數中調用其他函數就是典型的跳轉執行。其中跳轉又分為絕對跳轉和相對跳轉。絕對跳轉：直接跳轉到一個固定的，實實在在的地址。相對跳轉：相對于當前pc值的一個跳轉，跳轉到pc+offset的地址。
我們清楚了上面幾個概念，就知道了為什么要有相對跳轉和絕對跳轉。各種指令相互配合才能使得cpu有更高的處理效率。正是因為有了順序和跳轉指令，我們的cpu才可以處理各種復雜的計算。
在程序中只有相對跳轉/絕對跳轉是否可以?
答案肯定是不可以的。我們以一個例子具體分析。指令編號 | 指令功能-------- | -----| -----指令1 | 順序執行指令2 | 順序執行指令3 |相對跳轉到指令5指令4 | 順序執行指令5 | 順序執行指令6 | 絕對跳轉到指令8指令7 | 順序執行指令8 | 順序執行
假設程序被放在0x00000000位置開始執行，編譯鏈接后的結果為：
- 指令地址 | 指令編號 | 指令功能 | 下條指令地址-------- | -----| -----| -----| -----0x00000000 | 順序執行| 順序執行| 當前地址+40x00000004 | 順序執行| 順序執行| 當前地址+40x00000008 |跳轉到指令5|跳轉到指令5|當前地址+80x0000000C | 順序執行 | 順序執行 | 當前地址+40x00000010 | 順序執行 | 順序執行 | 當前地址+40x00000014 | 跳轉到指令8| 跳轉到指令8| 0xC000001C0x00000018 | 順序執行| 順序執行|當前地址+40x0000001C | 順序執行 | 順序執行 | 當前地址+4
當這段程序被放在0xC000000空間時，開始執行指令1，然后采用相對尋址的方法就可以運行到指令6，在指令6執行時也可以使用絕對尋址的方法從0xC0000014正確跳轉到指令8所在的0xC00001C位置，這段代碼運行正常。
當這段代碼被放在0x00000000空間時，開始執行指令1，然后采用相對尋址的方法就可以運行到指令6，但在指令6執行時使用絕對尋址的方法從0x0000014跳轉到了0xC000001C，但0xC000001C空間沒有代碼，這樣程序就跑飛了。
因此，當編譯地址(加載地址)和運行地址相同時，絕對跳轉和相對跳轉都可以正確執行。比如，程序在NORFLASH存儲時。但是，當編譯地址(加載地址)和運行地址不相同時，相對跳轉都就會出現問題。比如，代碼存儲在NANDFLASH，由于NANDFLASH并不能運行代碼，所以需要重定位代碼到內部的SRAM。關于NANDFLASH和NORFLASH可以看這篇文章S3C2440從NAND Flash啟動和NOR FLASH啟動的問題。
B(BL)和LDR指令具體怎么執行的?
我們以下圖中的這句跳轉代碼分析下指令具體的執行過程。
- #ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
- bl cpu_init_crit
- #endif
上述代碼對應的反匯編代碼如下：
- 33f000ac: eb000017 bl 33f00110 <cpu_init_crit>
- 33f00110 <cpu_init_crit>:
- 33f00110: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
- 33f00114: ee070f17 mcr 15, 0, r0, cr7, cr7, {0}
當指令執行到33f000ac時，對應的機器碼為eb000017(1110 1011 0000 0000 0000 0000 0001 0111)，其中[31,28]高四位為條件碼，1110表示無條件執行。[25,27]位保留區域,24位表示是否帶有返回值，1表示帶有返回值，也就是BL指令。[23,0]為指令的操作數，0000 0000 0000 0000 0001 0111。按照如下計算方式：
- 將指令中24位帶符號的補碼立即數擴展為32位(擴展其符號位)原數變成 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0111。
- 將此數左移兩位0000 0000 0000 0000 0000 0010 1000 0000 變成 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 1100 = 0x0000005c
- 將得到的值加到PC寄存器中得到目標地址，由于ARM為3級流水線，此時的 pc = 33f000ac+8 = 33F000B4，pc = 33F000B4 + 0x0000005c = 33F00110與圖中的cpu_init_crit的地址相等。
在算的過程中我們使用的始終是PC的值，假設程序在 0 地址處執行，那么計算方法一樣，pc 的值變了計算出來的結果也隨之改變。所以 BL 的跳轉時與位置無關的。
下圖為B(BL)指令的格式
28~31bts(cond)是條件碼，就是表明這條語句里是否有大于、等于、非零等的條件判斷，這4bts共有16種狀態，分別為：
下圖為LDR指令的格式
我們以下圖中的第一句話作為例子分析下
- ldr pc,=call_board_init_f
對應的反匯編代碼如下：
- 33f000d0: e59ff324 ldr pc, [pc, #804] ; 33f003fc <fiq+0x5c>
- 33f003fc: 33f000d4 .word 0x33f000d4
- ........
- 33f000d4 <call_board_init_f>:
- 33f000d4: e3a00000 mov r0, #0 ; 0x0
ldr pc, [pc, #804]這條指令為偽指令，編譯的時候會將call_board_init_f的鏈接地址存入一個固定的地址(鏈接時確定的)，對于本條指令這個地址就是33f000d4 。上面的反匯編出來的 ldr pc,=call_board_init_f就變成了ldr pc, [pc, #804]，由于ARM使用了流水線的原因，所以在執行 ldr pc. [ pc, #4 ]的時候 pc 不在這句代碼這里了，而是跑到了 pc+8的地方，這句代碼相當于 pc = *(pc+804+8)=33f000d0+32C=33f003fc ，所以會跳轉到33f003fc 地址取33f000d4 ，而33f000d4 是存在代碼段中的一個常量，并不是計算出來的，不會隨程序的位置而改變，所以無論代碼和pc怎么變 *(pc+804) 的值時不會變的。
這樣，絕對跳轉中的固定地址就很好理解了，要跳轉地址的值在鏈接時就已經確定了，存在了一塊內存中。而相對跳轉時，反匯編bl 33f00110中的33f00110是根據pc計算出來的，當pc改變時，結果也會改變，所以，稱為相對跳轉，與當前位置無關。
B(BL)和LDR跳轉范圍是如何規定的?
下圖為B(BL)指令的格式
BL指令的[23,0]bits存放的是要跳轉的相對地址，由于指令所在地址必須是4字節對齊的，因此跳轉的地址最低bits必然是0，因此BL指令[23,0]bits保存的是省略這最低2bts的地址，如果補全了這2bits,BL指令就可以表示26bits的跳轉地址。在這26bits中需要使用1bit表示向前跳還是向后跳，那么剩下的25bits就可以表示32 MBts的范圍了，225=32M因此，B(BL)指令的跳轉范圍為-32MBytes~+32MBytes。
下圖為LDR指令的格式
圖中的LDR的跳轉范圍計算方式和B指令的類似，其中Rn和Address_mode共同構成第二個操作數的內存地址，由Address_mode的9種格式可以直到，Address_mode表示的就是偏移地址的范圍大小，為212=4K。(不理解的可以對比下ldr pc, [pc, #804]和Address_mode的九種格式，很明顯可以看出Address_mode就是當前地址的偏移范圍)
