ARM汇编之解惑条件标志，条件码，条件执行
什么是条件执行（Conditional execution），它的机理是，根据运算结果更新的条件标志（condition flags），来判断指令的条件码（Condition code）是否符合条件，符合条件就执行，不符合条件则不执行。
A32/T32指令可以根据之前汇编指令更新的条件标志，来带条件的执行当前的汇编指令。为了让汇编指令带条件的执行，需要为汇编指令增加条件码后缀，这样就可以让处理器基于条件标志来测试是否需要执行该指令，如果条件测试不符，指令不会被执行，也不会影响其他任何标志，更不会产生异常，但是由于仍然占用了一个流水线空间，会消耗一个指令周期，除此之外什么也不会发生。
- 几乎所有A32的指令都可以基于APSR中的条件标志，进行带条件判断的执行。
- 而T32的话只支持部分 指令带条件的执行，分支指令，CBZ（零条件分支）/CBNZ（非零条件分支）——根据寄存器结果是否为零在同一个执行状态下进行短距离（0～126字节）跳转，IT（If-Then,16位指令）。
- 同样在A64里面也只有少数指令可以真正的有条件执行（也就是说，要是条件测试不符，PC值仍然是往前增加的，除此没有别的影响），这些指令包括 B.EQ，CBNZ，CBZ，TBNZ，TBZ。
条件标志（condition flags）
总共有四个条件标志 N, Z, C, V，A32/T32中可存储更新到APSR寄存器最高的4个位置。大致示意图如下：
image.png
大部分的A32汇编指令编码中也会包含这四个位，而16位的T32指令大部分没有这些，所以不能带条件的执行，16位的指令编码带有的信息有限通常不会包含这四个位。
下面我们来说说，什么情况下这四个位会被置位/清除
| 条件标志 | 置位/清除 |
|---|---|
| N | 当运算的结果为负数的话置位，其他情况清0 |
| Z | 当运算的结果为0的话置位，其他情况清0 |
| C | 当运算的结果产生进位或者减法运算没有借位的话置位，其他情况清0 |
| V | 当运算的结果产生溢出的话置位，其他情况清0 |
-
可能看完上面的表还是有点不明白，下面继续进行补充说明。最复杂的是C位了（这也是今年大家都想要的一个位：）），那就先讲一下C位，C位会在下面四种情况下被置位：
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无符号的（unsigned）加法运算（包括比较指令CMN）如果产生进位，C置位。
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无符号的（unsigned）减法运算（包括比较指令CMP）如果没有借位（减完结果是正的），C置位。
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移位操作也会影响C位（可以参考我之前文章中对移位操作介绍，ARM汇编指令中灵活的第二操作数，C的值是最后一个被移位器移出的位值，当然这个被移出的位值如果为1那么C值就为1
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除了上面3种情况，C位通常是不会被改变的，但也有特殊指令会造成C位改变，这个如果自己在编程时会用到C位最好参考一下汇编指令手册，确认一下对应的指令是否对C位有特殊影响。
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例子1
ldr r1,=0xffffffff
ldr r2,=0x2
adds r3,r1,r2
例子2
mov r2,#3
mov r1,#1
subs r3,r2,r1;r3 = r2 - r1
- 在来说一下V位，这个位是针对有符号的加法/减法及比较的，溢出，何为溢出呢，如果运算的结果大于等于2的31次方，或者小于负的2的31次方则V置位
例子：
ldr r1,=0x7fffffff
ldr r2,=0x2
adds r3,r1,r2
- N位是用来检测运算结果是否为负数时比较有用。什么是负数呢，在计算机系统，负数通常用二进制的补码来表示，如果最高有效位被置位，则该二进制补码为负数。也就是说运算结果最高位为1那么N位就置位。
例子：
mov r1,#-1
mov r2,#-2
adds r3,r1,r2
- Z位是最好理解的，只有运算的结果所有的位都为0则，Z置位。
例子：
mov r1,#0
mov r2,#0
adds r3,r1,r2
更新条件标志
- 在A32/T32中条件标志大部分情况下，不会自动更新到APSR中，只有你的指令明确的告诉它要更新它才会去更新，比如你在汇编指令中使用 S 后缀明确告诉它要去更新 APSR中的这些位。如下面的这条指令语法格式，你用ADDS就会去更新条件标志，用ADD就不会去更新。
ADD{S}{cond} {Rd}, Rn, Operand2 - 至于四个标志位被更新了几个，这个跟具体的指令有关，有的4位都更新了，有的只更新了1位或者都不更新。为什么会更新多位，因为计算机并不知道你操作的是有符号数还是无符号数，是正数还是负数，它只能傻傻的把所有可能全部给你列出来，所以你要对你写的程序负责，你要清楚你在做什么，你是做有符号的操作，还是无符号的操作，还是对正/负数操作，并以此选择你想要测试的条件标志位，来看操作结果是否符合预期，简单说就是你要什么，你就要去判断什么。
例子：
ldr r1,=0x7fffffff
ldr r2,=0x2
adds r3,r1,r2
bvc stop
nop
nop
nop
stop b stop
下图是上面程序运行之后，条件标志更新结果：
image.png
- 因为计算机不知道你要的是什么，所有它把所有情况都考虑进去了
- 如果r1，r2是无符号数，显然加法结果没有溢出因此C位为0
- 如果r1，r2是有符号数，加法结果超过了有符号数的上限而溢出因此V位为1
- 同时r3 = r1 + r3 = 0x80000001，最高位是1，因此N位也为1
- 计算的结果显然并不为0，因此Z为为0。
因此接下来你要用合适的条件码来对操作结果进行判断，比如你明确r1，r2是有符号数，你要判断有符号的加法是否溢出，你就需要对V位进行判断，如例子中的vc条件码。
备注：CMP, CMN,TEQ, TST这几条指令总是会更新条件标志位。他们没有S后缀的格式。如果带条件执行的指令没有被执行，它不会影响条件标志。
- A64中这四个条件标志是放在NZCV系统寄存器的，除了CMP,CMN, CCMP, CCMN, TST这几条总是会更新条件标志的，其他指令需要更新条件标志同样需要带S的后缀。
条件码（Condition code）
- 条件码由两个字母组成，在A32/A64中支持条件码后缀的汇编指令中通常会有一个 {cond}的语法选项，比如下面ADD的语法格式
ADD{S}{cond} {Rd}, Rn, Operand2 - 对于T32指令，条件码在前面的IT指令中编码。
所有支持的条件码（下图第一列）及含义如下图所示
image.png
例子：
mov r2,#6
ldr r1,=0x7fffffff
subs r3,r2,r1;r3 = r2 - r1
bgt stop
nop
nop
nop
stop b stop
比较指令
- 上面提到的CMP, CMN,TEQ, TST这几条指令，总是会更新条件标志位，但运算结果总是被扔掉，不会进行保存。
他们的语法格式如下
CMP{cond} Rn, Operand2；Rn - Operand2 操作类似SUBS（除了扔掉运算结果）
CMN{cond} Rn, Operand2；Rn + Operand2 操作类似ADDS（除了扔掉运算结果）
TEQ{cond} Rn, Operand2；Rn EOR Operand2 操作类似EORS（除了扔掉运算结果）
TST{cond} Rn, Operand2；Rn AND Operand2 操作类似ANDS（除了扔掉运算结果）
备注：对TEQ和TST来说不会影响到V标志，N位和Z位会根据操作结果会被更新，Operand2移位操作也可能会影响到C位。而CMP和CMN则根据运算结果都有可能会被影响到。
例子：
mov r1,#-1
mov r2,#0
tst r1,r2
beq stop
nop
nop
nop
stop b stop
为什么需要条件执行
- 因为条件执行比条件分支效率更高。在没有分支预测（至于什么是分支预测，有兴趣的同学可以参考计算机原理的相关书籍，有详细介绍）的ARM处理器上如果发生分支跳转，需要重填三个机器指令周期的流水线，当然如果有分支预测功能的ARM处理器在预测失败时，也是需要重填的。
下面是从ARM手册摘出来的一个例子：
C语言描述的算法如下：
int gcd(int a, int b)
{
while (a != b)
{
if (a > b)
a = a - b;
else
b = b - a;
}
return a;
}
如果用条件分支实现，代码如下：
gcd CMP r0, r1
BEQ end
BLT less
SUBS r0, r0, r1 ; could be SUB r0, r0, r1 for A32
B gcd
less
SUBS r1, r1, r0 ; could be SUB r1, r1, r0 for A32
B gcd
end
如果用带条件指令的条件执行，代码如下：
gcd
CMP r0, r1
SUBGT r0, r0, r1
SUBLE r1, r1, r0
BNE gcd
跟用分支执行的比较，该代码长度更小，而且执行的也更快。
参考资料
【1】DUI0801I_armasm_user_guide
【2】ARM Development Tools
【3】ARM Assembly Language_ Fundamentals and Techniques (2nd ed.)
【4】DDI0487C_a_armv8_arm
