GCC 生成的 ARM 和 x86 汇编代码的差异

Question

让我们看一个简单的 C 代码来设置寄存器：

int main()
{
    int *a = (int*)111111;
    *a = 0x1000;
    return 0;
}

当我使用 1 级优化为 ARM (arm-none-eabi-gcc) 编译此代码时，汇编代码类似于：

mov     r2, #4096
mov     r3, #110592
str     r2, [r3, #519]
mov     r0, #0
bx      lr

看起来地址111111被解析到最近的4K边界（110592）并移动到r3，然后通过将519添加到110592（=111111）来存储值4096（0x1000）。为什么会出现这种情况？

在 x86 中，汇编很简单：

movl    $4096, 111111
movl    $0, %eax
ret

Answer 1

这种编码背后的原因是因为 x86 具有可变大小的指令——从 1 字节到 16 字节（甚至可能带有前缀）。

ARM 指令是 32 位宽（不包括 Thumb 模式），这意味着根本不可能在单个操作码中对所有 32 位宽常量（立即数）进行编码。

固定大小的架构通常使用几种方法来加载大常量：

1)  movi  #r1, Imm8  ; // Here Imm8 or ImmX is simply X least significant bits
2)  movhi #r1, Imm16 ; // Here Imm16 loads the 16 MSB of the register
3)  load  #r1, (PC + ImmX);  // use PC-relative address to put constant in code
4)  movn  #r1, Imm8 ;  // load the inverse of Imm8 (for signed constants) 
5)  mov(i/n) #1, Imm8 << N;       // where N=0,8,16,24

可变大小的架构 OTOH 可以将所有常量放在一条指令中：

xx xx xx 00 10 00 00 11 11 11 00 ; // assuming that it takes 3 bytes to encode
                                 ; // the instruction and the addressing mode
; added with 4 bytes to encode the 4096 and 4 bytes to encode 0x00111111

Answer 2

地址必须分成两部分，因为这个特定常量无法使用单个指令加载到寄存器中。

ARM 文档指定了某些指令中允许的立即常量的限制（例如

MOV

）：

在ARM指令中，常量可以是任何可以产生的值 通过将 8 位值右移任意偶数位 32 位字。

在 32 位 Thumb-2 指令中，常量可以是：

可以通过将 8 位值左移产生的任何常数 32 位字中的任意位数。

任何 0x00XY00XY 形式的常量。
任何 0xXY00XY00 形式的常量。
任何 0xXYXYXYXY 形式的常量。

值

111111

（十六进制的

1B207

）不能表示为上述任何一个，因此编译器必须将其拆分。

110592

是

1B000

，因此它满足第一个条件（8 位值 0x1B 左移 12 位），并且可以使用

MOV

指令加载。

另一方面，

STR

指令对于所使用的偏移量有一组不同的限制。特别是，519 (0x207) 属于 ARM 模式下字存储/加载允许的 -4095 到 4095 范围。

---

在这种特定情况下，编译器设法将常量仅分为两部分。如果您的立即数有更多位，它可能必须生成更多指令，或者使用文字池加载。例如，如果我使用

0xABCDEF78

，我会得到这个（对于 ARMv7）：

movw    r3, #61439
movt    r3, 43981
mov     r2, #4096
str     r2, [r3, #-135]
mov     r0, #0
bx      lr

对于没有 MOVW/MOVT 的架构（例如 ARMv4），GCC 似乎会退回到文字池：

    mov     r2, #4096
    ldr     r3, .L2
    str     r2, [r3, #-135]
    mov     r0, #0
    bx      lr
.L3:
    .align  2
.L2:
    .word   -1412567041

Answer 3

编译器可能利用 ARM 立即值编码来减少代码大小。基本上 110592 是

0x1B << 12

，这可以进行一些简化。查看程序

arm-none-eabi-objdump -d

的输出，检查每条指令的长度。