汇编三 — CPSR 状态寄存器

百科词条

状态寄存器又名条件码寄存器,它是计算机系统的核心部件——运算器的一部分,状态寄存器用来存放两类信息:一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息(条件码),如有无进位(CF位)、有无溢出(OV位)、结果正负(SF位)、结果是否为零(ZF位)、奇偶标志位(P位)等;另一类是存放控制信息(PSW:程序状态字寄存器),如允许中断(IF位)、跟踪标志(TF位)等。有些机器中将PSW称为标志寄存器FR(Flag Register)。

CPSR

   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。我们可以通过修改 cpsr 寄存器的值来改变程序运行的结果。
(CPSR:8 个 16 进制位,1 个16进制位==4 个二进制位,所以为32个二进制位==4个 Byte)

如:


image.png
cpsr

注: cpsr 的首位 8 二进制则为:1000,每一位的 0 和 1 都代表不同意义。通过修改为 0100,即:

修改寄存器

查看执行结果:

image.png

但是我的依然没改过来:???

image.png
  • 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运行于特权模式下,程序才能修改控制位!
  • N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术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!~~~~
CPSR

N(Negative)标志

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.

如:

Printing description of $cpsr:
(unsigned int) cpsr = 0x80000000
1000
(unsigned int) cpsr = 0x60000000
0100
nzcv

   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

CPSR的第30位是Z,0标志位。它记录相关指令执行后, 判断结果是否为0.如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0,那么Z = 0.

   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"。

C(Carry)标志

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。如下图所示:

想象的更高位

注:有符号/无符号,就是下面的,CPU在运算的时候,按位去运算的,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。这位有值就为负数,反之为正数。ARM下就用C位来记录这个进位值。如果为纯数字就是一个数字。

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向更高位的进位。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

// C 
 // 加法 -- 进位
asm(
    "mov w0,#0xaaaaaaaa\n"//0xa 的二进制是 1010
    "adds w0,w0,w0\n" // 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\n"// 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\n" // 重复上面操作
    "adds w0,w0,w0\n"
);

借位

   当两个数据做减法的时候,有可能向更高位借位。再比如,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:

// 减法 -- 借位
mov w0,#0x0
subs w0,w0,#0xff ;
subs w0,w0,#0xff
subs w0,w0,#0xff

V(Overflow)溢出标志

1 代表溢出,0 未溢出。

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。(溢出不算进位)

  • 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
// V 溢出位
asm(
    "mov w0, #0x7fffffff\n"
    "adds w0, w0, #0xff2\n"
    "mov w0, #0x80000000\n"
    "subs w0,w0, #0x02\n"
);

结果
Printing description of $cpsr:
(unsigned int) cpsr = 0x30000000
0011
有点不太明白,一个最大的负数减去一个正数结果怎么变成一个正数了呢?溢出了
莫非是符号位不算?

小结:
N、Z、C、V
N
CPSR的第31位是 N,结果如果为负 N = 1,如果是非负数 N = 0.
Z
CPSR的第30位是Z,0标志位。如果结果为0.那么Z = 1.如果结果不为0,那么Z = 0.
C
CPSR的第29位是C,进位标志位。
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。
V
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。
1 代表溢出,0 未溢出。

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