A64指令集基本指令（一）：分支指令
前言
Alphabetical list of A64 base instructions gives full descriptions of the A64 instructions that are in the following instruction groups:
- Branch, Exception generation, and System instructions.
- Loads and stores associated with the general-purpose registers.
- Data processing (immediate).
- Data processing (register).
如 ARM 手册中所说，A64 基本指令包括
- 分支、异常生成和系统指令
- 与通用寄存器相关的加载和存储指令
- 数据处理（立即数）指令
- 数据处理（寄存器）指令
本文将详细介绍一下分支指令。另外，本系列目前不会涉及 SVE 指令和 SIMD 指令，避免有需要的读者浪费时间。
条件码
这个表格是 ARMv8-A 架构中 A64 指令集的条件码 (Condition code) 表，提供了条件分支指令使用的所有可能条件（手册原表中浮点数相关内容我已删掉）。
| 条件码 | 助记符 | 含义(整数) | 条件标志 |
|---|---|---|---|
| 0000 | EQ | 相等 | Z == 1 |
| 0001 | NE | 不相等 | Z == 0 |
| 0010 | CS或HS | 进位设置 | C == 1 |
| 0011 | CC或LO | 进位清除 | C == 0 |
| 0100 | MI | 负数 | N == 1 |
| 0101 | PL | 正数或零 | N == 0 |
| 0110 | VS | 溢出 | V == 1 |
| 0111 | VC | 无溢出 | V == 0 |
| 1000 | HI | 无符号大于 | C == 1 && Z == 0 |
| 1001 | LS | 无符号小于等于 | !(C == 1 && Z == 0) |
| 1010 | GE | 有符号大于等于 | N == V |
| 1011 | LT | 有符号小于 | N != V |
| 1100 | GT | 有符号大于 | Z == 0 && N == V |
| 1101 | LE | 有符号小于等于 | !(Z == 0 && N == V) |
| 1110 | AL | 总是执行 | 任意 |
| 1111 | NV | 总是执行 | 任意 |
注：NV 条件码存在仅为提供 0b1111 编码的有效反汇编，其行为与 AL 相同。
标志位及含义对应解释
- N(Negative)：结果是否为负数，N == 1，代表结果为负数
- Z(Zero)：结果是否为零，Z == 1，代表结果为0
- C(Carry)：产生进位/没有借位，C == 0，代表结果为负数
- V(oVerflow)：有符号运算溢出，V == 1，代表结果溢出
注：在这几个标志位中，比较不同的是 C 标志位，C == 0，代表没有发生借位。而 C == 1代表发生了借位，为什么呢？
因为减法实际上是通过加法和补码来实现的。CMP A, B 语义上执行的是 A - B。但我们知道，-B 的补码等于对 B 取反加1，也就是实际上执行的是 A + (~B + 1)，也就是 A + (B的二进制补码)。
以一个 4bit 数据位宽的具体例子为例：假设比较 5 和 3，(CMP 5, 3)，实际执行: 5 + (~3 + 1) = 5 + 13 = 18 (超出4位，产生进位)。结果为正，且有进位，所以 C=1，表示 5>3 。
条件指令
条件指令介绍开始之前需要知道，ARM架构对分支指令有严格的使用规则：
- 在调用嵌套子程序时，只能使用BLR或BL指令
- 从子程序返回时，只能使用RET指令
- 对于非子程序调用/返回的控制流转移，应使用B、B.cond等指令
1.条件分支指令
条件分支指令根据条件标志（Condition flags）或通用寄存器中的值改变执行流程。
示例指令：B.cond
- 用途：根据条件码执行条件跳转
- 执行过程：检查PSTATE中的条件标志（N、Z、C、V），如果满足条件，则PC += 偏移量（±1MB范围内）
- 例如：
B.EQ label（如果结果为零则跳转）
示例指令：BC.cond
- 用途：一致性条件分支，保证跳转预测的一致性
- 执行过程：与B.cond类似，但提供更一致的分支预测行为
cond 所有取值如下所示，具体含义见条件码所示：
| 编码 | 0000 | 0001 | 0010 | 0011 | 0100 | 0101 | 0110 | 0111 | 1000 | 1001 | 1010 | 1011 | 1100 | 1101 | 1110 | 1111 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| cond | EQ | NE | CS | CC | MI | PL | VS | VC | HI | LS | GE | LT | GT | LE | AL | NV |
示例指令：CBNZ/CBZ
- 用途：比较寄存器值并在非零/零时分支
- 执行过程：将指定寄存器的值与零比较，满足条件则PC += 偏移量（±1MB范围内）
- 例如：
CBZ x0, label（如果x0为零则跳转）
示例指令：TBNZ/TBZ
- 用途：测试寄存器中的特定位，并在非零/零时分支
- 执行过程：测试指定寄存器中特定位的值，满足条件则PC += 偏移量（±32KB范围内）
- 例如：
TBZ x0, #5, label（如果x0的第5位为0则跳转）
2.无条件分支（立即数）
无条件分支指令无条件地改变执行流程，使用即时偏移量。
示例指令：B
- 用途：无条件跳转到目标地址
- 执行过程：PC += 偏移量（±128MB范围内）
- 例如：
B label（总是跳转到label）
示例指令：BL
- 用途：带链接的分支，用于调用子程序
- 执行过程：将下一条指令地址保存到X30寄存器，然后PC += 偏移量（±128MB范围内）
- 例如：
BL function（调用函数并保存返回地址）
3. 无条件分支（寄存器）
无条件分支指令通过寄存器中存储的地址值改变执行流程。
示例指令：BLR
- 用途：带链接的寄存器分支，用于间接调用子程序
- 执行过程：将下一条指令地址保存到
X30，然后PC = 寄存器内容 - 例如：
BLR x0（调用x0中保存的地址，并保存返回地址到X30）
示例指令：BR
- 用途：寄存器分支，无条件跳转到寄存器中的地址
- 执行过程：PC = 寄存器内容
- 例如：
BR x0（跳转到x0中保存的地址）
示例指令：RET
- 用途：从子程序返回
- 执行过程：PC = X30（或指定寄存器）
- 例如：
RET（返回到X30中保存的地址）
直接条件分支和间接条件分支指令
ARM 手册中还对分支指令做了直接分支和间接分支指令的区分。这里手册中另外介绍了很多关于地址认证的指令。不经常使用，不会详细展开。这部分其实也可以不看。
直接分支指令
直接分支指令中，跳转目标地址直接编码在指令中：
1. B (无条件分支)
- 用途：无条件跳转到指定地址
- 执行过程：PC直接设置为指令中的目标地址
- 示例：
B label1—— 程序无条件跳转到label1处执行
2. B.cond (条件分支)
- 用途：根据条件标志位决定是否分支
- 执行过程：检查NZCV标志位，如果条件满足则跳转
- 示例：
B.EQ label2—— 当结果为零(相等)时跳转到label2
3. BC.cond (条件一致性分支)
- 用途：带有内存一致性保证的条件分支
- 执行过程：与B.cond类似，但提供额外的一致性保证
- 示例：
BC.EQ label3—— 在多处理器系统中提供一致性保证的条件分支
4. BL (带链接的分支)
- 用途：跳转到子程序并保存返回地址
- 执行过程：将返回地址保存在LR寄存器(X30)中，然后跳转
- 示例：
BL subroutine—— 调用子程序并在完成后可返回
5. CBZ/CBNZ (比较并分支)
- 用途：将寄存器与零比较，根据结果分支
- 执行过程：
- CBZ：如果寄存器值为零则分支
- CBNZ：如果寄存器值非零则分支
- 示例：
CBZ X0, label4—— 如果X0为0则跳转到label4CBNZ X1, label5—— 如果X1不为0则跳转到label5
6. TBZ/TBNZ (测试位并分支)
- 用途：测试寄存器中特定位的值并分支
- 执行过程：
- TBZ：如果指定位是0则分支
- TBNZ：如果指定位是1则分支
- 示例：
TBZ X2, #3, label6—— 如果X2的第3位是0则跳转TBNZ X3, #7, label7—— 如果X3的第7位是1则跳转
间接分支指令
间接分支指令中，跳转目标地址存储在寄存器中：
1. BLR (带链接到寄存器的分支)
- 用途：跳转到寄存器指定的地址并保存返回地址
- 执行过程：将返回地址保存在LR中，然后跳转到寄存器指定的地址
- 示例：
BLR X4—— 跳转到X4寄存器中存储的地址并保存返回地址
2. BLRAA/BLRAAZ/BLRAB/BLRABZ (带指针认证的链接到寄存器的分支)
- 用途：提供指针认证的间接调用
- 执行过程：验证跳转地址的完整性，如果通过，则设置返回地址并跳转
- 示例：
BLRAA X5, X6—— 使用X6作为认证修饰符跳转到X5中的地址
3. BR (分支到寄存器)
- 用途：无条件跳转到寄存器中的地址
- 执行过程：PC设置为指定寄存器的值
- 示例：
BR X7—— 跳转到X7寄存器包含的地址
4. BRAA/BRAAZ/BRAB/BRABZ (带指针认证的分支到寄存器)
- 用途：带指针认证的无条件间接跳转
- 执行过程：验证地址，如通过则执行跳转
- 示例：
BRAA X8, X9—— 使用X9作为认证修饰符跳转到X8中的地址
5. ERET/ERETAA/ERETAB (异常返回)
- 用途：从异常处理返回
- 执行过程：从ELR_ELx寄存器加载PC并从SPSR_ELx还原处理器状态
- 示例：
ERET—— 从异常处理返回到中断点
6. RET/RETAA/RETAB (子程序返回)
- 用途：从子程序返回
- 执行过程：将PC设置为LR寄存器(X30)中的返回地址
- 示例：
RET—— 从子程序返回到调用点
7. RETAA/RETAB (带指针认证的返回)
- 用途：带指针认证的子程序返回
- 执行过程：验证LR中的返回地址，如通过则返回
- 示例：
RETAA—— 使用A密钥认证LR并返回
8. RETAASPPC/RETABSPPC (使用偏移的带指针认证的返回)
- 用途：使用即时偏移的带指针认证的返回
- 执行过程：使用即时偏移进行指针认证并返回
- 示例：
RETAASPPC #16—— 使用16字节偏移进行认证并返回
9. RETAASPPCR/RETABSPPCR (使用寄存器的带指针认证的返回)
- 用途：使用寄存器值进行指针认证的返回
- 执行过程：使用寄存器值作为修饰符进行指针认证并返回
- 示例：
RETAASPPCR X10—— 使用X10寄存器值进行认证并返回
总结
完结撒花！！！
参考
a_a-profile_architecture_reference_manual.pdf