詳解彙編語言B和LDR指令與相對跳轉和絕對跳轉的關係

爲什麼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後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。其中跳轉又分爲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：相對於當前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，就知道了爲什麼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。正是因爲有了順序和跳轉指令，我們的cpu纔可以處理各種複雜的計算。

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	跳轉到指令5
指令4	順序執行
指令5	順序執行
指令6	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，編譯鏈接後的結果爲：

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+4
0x00000004	順序執行	順序執行	當前地址+4
0x00000008	跳轉到指令5	跳轉到指令5	當前地址+8
0x0000000C	順序執行	順序執行	當前地址+4
0x00000010	順序執行	順序執行	當前地址+4
0x00000014	跳轉到指令8	跳轉到指令8	0xC000001C
0x00000018	順序執行	順序執行	當前地址+4
0x0000001C	順序執行	順序執行	當前地址+4

  當這段程序被放在0xC000000°間時，開始執行指令1，然後採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0xC0000C位置，這段代碼運行正常。
  當這段代碼被放在0x00000°間時，開始執行指令1，然後採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0xC00000C，但0xC00000C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，由於NANDFLASH並不能運行代碼，所以需要重定位代碼到內部的SRAM。關於NANDFLASH和NORFLASH可以看這篇文章S3C2440從NAND Flash啓動和NOR FLASH啓動的問題
。

B（BL）和LDR指令具體怎麼執行的？

  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

  上述代碼對應的反彙編代碼如下：

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，對應的機器碼爲eb000017（1110 1011 0000 0000 0000 0000 0001 0111‬），其中[31,28]高四位爲條件碼，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]爲指令的操作數，0000 0000 0000 0000 0001 0111。
按照如下計算方式：
  1、將指令中24位帶符號的補碼立即數擴展爲32位(擴展其符號位)原數變成 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0111。
  2、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
   3、將得到的值加到PC寄存器中得到目標地址，由於ARM爲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，那麼計算方法一樣，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。

  下圖爲B(BL）指令的格式
  28~31bts（cond）是條件碼，就是表明這條語句裏是否有大於、等於、非零等的條件判斷，這4bts共有16種狀態，分別爲：

  下圖爲LDR指令的格式


  我們以下圖中的第一句話作爲例子分析下

ldr pc,=call_board_init_f

對應的反彙編代碼如下：

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]這條指令爲僞指令，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），對於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]，由於ARM使用了流水線的原因，所以在執行 ldr pc. [ pc, #4 ]的時候 pc 不在這句代碼這裏了，而是跑到了 pc+8的地方，這句代碼相當於 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，並不是計算出來的，不會隨程序的位置而改變，所以無論代碼和pc怎麼變 *(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，反彙編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，稱爲相對跳轉，與當前位置無關。

B（BL）和LDR跳轉範圍是如何規定的？

  下圖爲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，由於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表示向前跳還是向後跳，那麼剩下的25bits就可以表示32 MBts的範圍了，2²⁵=32M因此，B（BL）指令的跳轉範圍爲-32MBytes~+32MBytes。
  下圖爲LDR指令的格式


  圖中的LDR的跳轉範圍計算方式和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範圍大小，爲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範圍）