分析下BL(B)/LDR指令

• 1. BL LDR指令简介
• 2. 分析绝对跳转过程
• 3. BL（B）和LDR跳转范围是如何规定的
• 4. BL执行过程分析
• 5. LDR执行过程分析
• 6. 总结

1. BL LDR指令简介

  LDR和BL在启动程序中，都是可以负责pc跳转的指令。

  BL是地址无关指令，即和当前的运行地址无关。链接器脚本中标明了一个运行地址，但是arm中的代码实际是从地址0开始运行的。这个时候，实际的地址和运行地址是不符的。

  如果想让程序正常的运行，就得使用地址无关指令。比如在完成将程序复制到内存之前想要跳转到一个函数里，就得使用BL。因为BL跳转依靠的是相对地址，和运行地址无关，所以能完成跳转。

  LDR是地址有关指令。如果这个时候使用“ldr pc，=函数名”来跳转，实际上是跳转到这个函数在链接器脚本中标明的地址上了。所以使用地址相关指令之前，要把代码复制到链接器脚本中指明的那个地址上，否则的话程序就跑飞了。复制完成之后再使用LDR跳转到内存中，使程序继续运行。

2. 分析绝对跳转过程

  我们以一个例子具体分析下绝对跳转过程。

  假设程序被放在0x00000000位置开始执行，编译链接后的结果为：

绝对跳转分析

  当这段程序被放在0xC000000空间（如右图）时，开始执行指令1，然后采用相对寻址的方法就可以运行到指令6，在指令6执行时也可以使用绝对寻址的方法从0xC0000014正确跳转到指令8所在的0xC00001C位置，这段代码运行正常。

  当这段代码被放在0x00000000空间（如左图）时，开始执行指令1，然后采用相对寻址的方法就可以运行到指令6，但在指令6执行时使用绝对寻址的方法从0x0000014跳转到了0xC000001C，但0xC000001C空间没有代码，这样程序就跑飞了。

  因此，当编译地址（加载地址）和运行地址相同时，绝对跳转和相对跳转都可以正确执行。比如，程序在NORFLASH存储时。

  但是，当编译地址（加载地址）和运行地址不相同时，相对跳转就会出现问题。比如，代码存储在NANDFLASH，由于NANDFLASH并不能运行代码，所以需要重定位代码到内部的SRAM。

3. BL（B）和LDR跳转范围是如何规定的

  下图为B(BL）指令的格式

BL指令编码格式

  BL指令的[23,0]位存放的是要跳转的相对地址，由于指令所在地址必须是4字节对齐的，因此跳转的地址最低位必然是0。

  BL指令[23,0]位保存的是省略这最低2位的地址，如果补全了这2位,BL指令就可以表示26位的跳转地址。在这26位中需要使用1位表示向前跳还是向后跳，那么剩下的25位就可以表示32 MBts的范围了，225=32M因此，B（BL）指令的跳转范围为-32MBytes~+32MBytes。

  下图为LDR指令的格式。

LDR指令编码格式

LDR指令编码格式

  图中的LDR的跳转范围计算方式和B指令的类似，其中Rn和Address_mode共同构成第二个操作数的内存地址。由Address_mode的9种格式可以知道，Address_mode表示的就是偏移地址的范围大小，为212=4K。（不理解的可以对比下ldr pc, [pc, #804]和Address_mode的九种格式，很明显可以看出Address_mode就是当前地址的偏移范围）

4. BL执行过程分析

  下图为B(BL）指令的格式。

BL指令编码格式

  28~31位（cond）是条件码，就是表明这条语句里是否有大于、等于、非零等的条件判断，这4位共有16种状态，分别为：

条件码

  我们以Uboot启动过程中的这句跳转代码分析下BL指令具体的执行过程。

#ifndef CONFIG_SKIP_LOWLEVEL_INIT
 bl cpu_init_crit
#endif

  上述代码对应的反汇编代码如下：

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}

  当指令执行到33f000ac时，对应的机器码为eb000017（1110_1011_0000_0000_0000_0000_0001_0111‬），其中[31,28]高四位为条件码，1110表示无条件执行。[25,27]位保留区域,24位表示是否带有返回值，1表示带有返回值，也就是BL指令。[23,0]为指令的操作数，0000_0000_0000_0000_0001_0111。

  BL指令的跳转地址是按照如下方式计算：

  1、将指令中24位带符号的补码立即数扩展为32位(扩展其符号位)原数变成 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001_0111。

  2、将此数左移两位0000_0000_0000_0000_0000_0010_1000_0000 变成 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0101_1100 = 0x0000005c

   3、将得到的值加到PC寄存器中得到目标地址，由于ARM为3级流水线，此时的 pc = 33f000ac+8 = 33F000B4，pc = 33F000B4 + 0x0000005c = 33F00110‬与图中的cpu_init_crit的地址相等。

   在算的过程中我们使用的始终是PC的值，假设程序在 0 地址处执行，那么计算方法一样，pc 的值变了，计算出来的结果也随之改变。所以 BL 的跳转时是与位置无关的。

5. LDR执行过程分析

  下图为LDR指令的格式。

LDR指令编码格式

  我们以下图中的代码作为例子分析下。

ldr pc,=call_board_init_f

  对应的反汇编代码如下：

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]这条指令为伪指令，编译的时候会将call_board_init_f的链接地址存入一个固定的地址（链接时确定的），对于本条指令，这个地址就是33f000d4 。

  上面的反汇编出来的 ldr pc,=call_board_init_f就变成了ldr pc, [pc, #804]，由于ARM使用了流水线的原因，所以在执行 ldr pc,[ pc, #4 ]的时候 pc 不在这句代码这里了，而是跑到了 pc+8的地方，这句代码相当于 pc= *(pc+804+8)=33f000d0+32C=33f003fc ，所以会跳转到33f003fc 地址取33f000d4 ，而 33f000d4 是存在代码段中的一个常量，并不是计算出来的，不会随程序的位置而改变，所以无论代码和pc怎么变 *(pc+804) 的值时不会变的。

6. 总结

  这样，绝对跳转中的固定地址就很好理解了，要跳转地址的值在链接时就已经确定了，存在了一块内存中。

相对跳转时，反汇编bl 33f00110中的33f00110是根据pc计算出来的，当pc改变时，结果也会改变。所以，称为相对跳转，与当前位置无关。

本文参考 《ARM体系结构与编程》 https://www.cnblogs.com/dchipnau/p/5256039.html