汇编基础（五）状态寄存器 、条件码标识位
引言
在汇编基础（二）CPU寄存器已经说到过寄存器，作为一个刚学习汇编的人来说，有可能会在后面在补充很多以前所缺乏的知识，我会在我学习完以后在好好梳理一下以前的内容
状态寄存器
CPU内部的寄存器中,有一种特殊的寄存器(对于不同的处理器,个数和结构都可能不同).这种寄存器在ARM中,被称为状态寄存器就是CPSR(current program status register)寄存器CPSR和其他寄存器不一样,其他寄存器是用来存放数据的,都是整个寄存器具有一个含义.而CPSR寄存器是按位起作用的,也就是说,它的每一位都有专门的含义,记录特定的信息.
注:CPSR寄存器是32位的
- CPSR的低8位（包括I、F、T和M[4:0]）称为控制位，程序无法修改，除非CPU运行与特权模式下，程序才能修改控制位！
- N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算数或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行！意义重大！
N（Negative）标志 31位
CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为负.如果为负 N = 1,如果是非负数 N = 0.
注意：在ARM64的指令集中,有的指令的执行时影响状态寄存器的,比如add\sub\or等,他们大都是运算指令(进行逻辑或算数运算)；
Z(Zero)标志 30位
CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后,其结果是否为0.如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0,那么Z = 0.
注意：对于Z的值,我们可以这样来看,Z标记相关指令的计算结果是否为0,如果为0,则N要记录下是0这样的肯定信息.在计算机中1表示逻辑真,表示肯定.所以当结果为0的时候Z = 1,表示结果是0.如果结果不为0,则Z要记录下不是0这样的否定信息.在计算机中0表示逻辑假,表示否定,所以当结果不为0的时候Z = 0,表示结果不为0。
注释 ：
当结果为0时 Z = 1 当结果不为0时 Z = 0
C(Carry)标志 29位
- CPSR的第29位是C，进位标志位。一般情况下,进行无符号数的运算。
- 加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。
- 减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。
对于位数为N的无符号数来说，其对应的二进制信息的最高位，即第N - 1位，就是它的最高有效位，而假想存在的第N位，就是相对于最高有效位的更高位。
进位
我们知道，当两个数据相加的时候，有可能产生从最高有效位想更高位的进位。比如两个32位数据：0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa,将产生进位。由于这个进位值在32位中无法保存，我们就只是简单的说这个进位值丢失了。其实CPU在运算的时候，并不丢弃这个进位制，而是记录在一个特殊的寄存器的某一位上。ARM下就用C位来记录这个进位值。比如，下面的指令
mov w0,#0xaaaaaaaa；0xa 的二进制是 1010
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 1010 << 1 进位1（无符号溢出） 所以C标记 为 1
adds w0,w0,w0； 执行后 相当于 0101 << 1 进位0（无符号没溢出） 所以C标记 为 0
adds w0,w0,w0； 重复上面操作
adds w0,w0,w0
借位
- 当两个数据做减法的时候，有可能向更高位借位。
- 两个32位数据：0x00000000 - 0x000000ff,将产生借位，借位后，相当于计算0x100000000 - 0x000000ff。得到0xffffff01 这个值。由于借了一位，所以C位 用来标记借位。C = 0.比如下面指令：
mov w0,#0x0
subs w0,w0,#0xff ;
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff
V(Overflow)溢出标志 28位
CPSR的第28位是V，溢出标志位。在进行有符号数运算的时候，如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。
正数 + 正数 为负数 溢出
负数 + 负数 为正数 溢出
正数 + 负数 不可能溢出
验证练习题
1.验证N位的练习题
void Sub(int a , int b){
if(a - b >0){
printf("正数");
}else{
printf("负数");
}
}
int main() {
Sub(10 ,20);
return 0;
}
Sub汇编代码
Demo--2N位`Sub:
0x102146898 <+0>: sub sp, sp, #0x20 ; =0x20
0x10214689c <+4>: stp x29, x30, [sp, #0x10]
0x1021468a0 <+8>: add x29, sp, #0x10 ; =0x10
0x1021468a4 <+12>: stur w0, [x29, #-0x4]
0x1021468a8 <+16>: str w1, [sp, #0x8]
0x1021468ac <+20>: ldur w0, [x29, #-0x4]
0x1021468b0 <+24>: ldr w1, [sp, #0x8]
0x1021468b4 <+28>: sub w0, w0, w1
pc指向位置：0x1021468b8 <+32>: cmp w0, #0x0 ; =0x0
0x1021468bc <+36>: b.le 0x1021468d4 ; <+60> at main.m:18
下面是 大于0x0
0x1021468c0 <+40>: adrp x0, 1
0x1021468c4 <+44>: add x0, x0, #0xf24 ; =0xf24
0x1021468c8 <+48>: bl 0x102146bf4 ; symbol stub for: printf
0x1021468cc <+52>: str w0, [sp, #0x4]
0x1021468d0 <+56>: b 0x1021468e4 ; <+76> at main.m:21
下面是小于等于 0x0
0x1021468d4 <+60>: adrp x0, 1
0x1021468d8 <+64>: add x0, x0, #0xf2b ; =0xf2b
0x1021468dc <+68>: bl 0x102146bf4 ; symbol stub for: printf
0x1021468e0 <+72>: str w0, [sp]
下面是回到main
0x1021468e4 <+76>: ldp x29, x30, [sp, #0x10]
0x1021468e8 <+80>: add sp, sp, #0x20 ; =0x20
0x1021468ec <+84>: ret
代码分析
- 开辟栈空间 32字节 从高地址向低地址开辟
- 将 X29 X30 存入到 sp 向上16个字节位置按顺序存储
- X29 = sp 向上16个字节 废话 ，再次取出X29
- 将W0存入到x29 向下偏移4个字节地址
-
将W1存入到sp指针向上偏移8个字节地址
- 从x 29 - 0x4 读出数据存入w0
- 从sp + 0x8 读出数据存入 w1
-
wo = wo - w1
-
判断 w0 - w1 的值修改cpsr寄存器中的N位
结果如下图
- 判断值是否小于等于#0x0 也就是0 如果是跳转
- 如果值大于#0x0 x0 & 0xfffff000 + 0x1000
- X0 | 0x00000f24
- printrf函数
- 将w0值存入占空间 sp向上偏移0x4
- 恢复回去的路 dp lr
- 返回
2.验证Z位的练习题
void func(){
int a = 1;
int b = 2;
if(a == b){
printf("a == b");
}else{
printf("error");
}
}
int main(int argc, char * argv[]) {
func();
return 0 ;
}
代码分析
按照正常的功能的数据的话，应该是打印出来：error
那么这个判断a == b 的结果放到哪里呐？ 按照刚才说的那样应该放到Z位置，如下图：
注意：1. CMP指令就是比较两个数的大小，原理是做减法运算
2. 如果结果为0 ，Z = 1； 结果不为0 Z = 0
cpsr寄存器中的数值是：0x80000000
换算成二进制 ：1000 0000 0000 0000 ..... 0000 酱紫的
大概意思看的懂哈 ： Z = 0 代表结果不为0，也就是说这个判断不正确
最终结果应该打印error。
验证结果：
扩展
- 当汇编代码如果执行完cmp指令以后变成1000， Z = 0，那么我们直接修改cpsr寄存器中的Z位，会影响结果吗？
如下图：
-
刚运行完cmp指令，并且cpsr寄存器的Z位已经改变，Z = 0
- 哥么直接修改cpsr的Z位的值是不是就能影响if的结果？开干
(lldb) register write cpsr 0x40000000
(lldb) register read cpsr
cpsr = 0x40000000
-
修改完成看看结果如下图：
- a = b 挖哈哈哈哈哈哈！ 验证是可以修改的
3验证C位的练习题
进位题目：
void func(){
asm(
"mov w0,#0x55555555\n"
"adds w0,w0,w0\n"
"adds w0,w0,w0\n"
"adds w0,w0,w0\n"
);
}
int main(int argc, char * argv[]) {
func();
return 0;
}
汇编代码：
-> 0x1049868f4 <+0>: mov w0, #0x55555555
0x1049868f8 <+4>: adds w0, w0, w0
0x1049868fc <+8>: adds w0, w0, w0
0x104986900 <+12>: adds w0, w0, w0
0x104986904 <+16>: ret
汇编代码分析
- w0 = 0x55555555
- w0 = w0 + w0 改变cpsr寄存器
- w0 = w0 + w0 改变cpsr寄存器
- w0 = w0 + w0 改变cpsr寄存器
- 返回
分析3个 w0 = w0 + w0
-
w0 = w0 + w0 0x55555555 + 0x55555555 = 0xaaaaaaaa
-
0xaaaaaaaa + 0xaaaaaaaa = 0x155555554 进位所以应该在C位进位 C = 1
-
0x55555554 + 0x55555554 = 0xaaaaaaa8 没有进位所以应该在C位进位 C = 0
借位题目：
void func(){
asm(
"mov w0,#0x55555555\n"
"mov w1,#0xaaaaaaaa\n"
"subs w0,w0,w1\n"
"subs w0,w0,w1\n"
);
}
int main(int argc, char * argv[]) {
func();
return 0;
}
汇编代码：
-> 0x1041028f4 <+0>: mov w0, #0x55555555
0x1041028f8 <+4>: mov w1, #-0x55555556
0x1041028fc <+8>: subs w0, w0, w1
0x104102900 <+12>: subs w0, w0, w1
0x104102904 <+16>: ret
汇编代码分析
- w0 = #0x55555555
- w1 = #-0x55555556
- w0 = w0 - w1 改变cpsr寄存器
- w0 = w0 - w1 改变cpsr寄存器
- 返回
register write cpsr 0x00000000先将cpsr置空
分析2个 w0 = w0 - w1；
-
w0 = 0x55555555 - (-0x55555556) = 0xaaaaaaab cpsr 1001 C = 0 借位
-
w0 = 0xaaaaaaab - (-0x55555556) = 0x100000001 cpsr 0010 进位 在内存当中的数据是 0x00000001
4验证V位的练习题1 正数+正数 = 负数 溢出
void func(){
asm(
"mov w0,#0x7fffffff\n"
"adds w0,w0,#0x56\n"
);
}
int main(int argc, char * argv[]) {
func();
return 0;
}
汇编代码
-> 0x10445e8fc <+0>: mov w0, #0x7fffffff
0x10445e900 <+4>: adds w0, w0, #0x5 ; =0x5
0x10445e904 <+8>: ret
汇编分析
- w0寄存器直接赋值 0x7fffffff
- w0 = w0 + 0x56 结果应该是0x80000055 Adds后面添加s代表会修改标志寄存器、状态寄存器
- 返回
验证过程：
-
查看默认cpsr寄存器的内容
-
将cpsr置空
-
运行adds代码 ni单步汇编调试
结论
验证通过：两个正数相加，得负数，溢出
4验证V位的练习题2 负数+负数 = 正数 溢出
void func(){
asm(
"mov w0,#0x80000000\n" //最大的负数
"subs w0,w0,#0x56\n"
);
}
int main(int argc, char * argv[]) {
func();
return 0;
}
汇编代码
-> 0x10283a8fc <+0>: mov w0, #-0x80000000
0x10283a900 <+4>: subs w0, w0, #0x56 ; =0x56
0x10283a904 <+8>: ret
汇编分析
- 将最大的负数赋值给w0
- w0 = w0 - 0x56
- 回去
验证过程：
- 先将cpsr置空，方便观察
- w0寄存器放入一个最大的负数 0x80000000
-
单步执行subs 查看cpsr寄存器的变化
结论
验证通过 负负相加得正溢出
最后验证 正负相加不可能溢出，不需要进行项目验证了
- 最大的负数 + 最大的正数 = 0
- 负数（大） + 正数（小） = 负数
- 正数（大） + 负数（小） = 正数
