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计算机系统基础笔记（12）——控制

news 2025/9/18 15:05:03

前言

在持续输出ing

一、条件码

1.处理器状态（x86-64，部分的）

  • 当前程序的执行信息
    ◼ 临时数据
    ◼ 运行时栈的位置（栈顶）
    ◼ 当前代码控制点的位置（即将要执行的指令地址）
    ◼ 最近一次指令执行的状态
    在这里插入图片描述

2.条件码（隐式设置)

  • 简单的位寄存器
    条件码（隐式设置）
    CF 进位标志（无符号数）
    SF 符号标志（有符号数）
    ZF 零标志
    OF 溢出标志（有符号数）
  • 通过算术运算可以隐式设置条件码（可以把它看做是运算的副作用）
    ◼ 例如： addq Src,Dest ↔ t = a+b
    ◼ CF 被置位，如果运算时出现了超出最高位的进位（无符号数运算溢出）
    ◼ ZF 被置位，如果 t ==0
    ◼ SF 被置位，如果 t<0 （看做是有符号数）
    ◼ OF 被置位，如果有符号数运算出现了溢出
    (a>0 && b>0 && t<0) || (a<0 && b<0 && t>=0)

3.条件码（显式设置：比较指令）

  • 通过比较指令可以显式设置条件码
    Explicit Setting by Compare Instruction
  • cmpq Src2, Src1
  • cmpq b,a 这条指令和a-b的作用类似，但不需要将结果写入目标寄存器
    ◼ CF 被置位，如果运算时出现了超出最高位的借位（用于无符号数比较）
    ◼ ZF 被置位，如果 a == b
    ◼ SF 被置位，如果 (a-b) < 0 （看做是有符号数）
    ◼ OF 被置位，如果有符号数运算出现了溢出
    (a>0 && b<0 && (a-b)<0) || (a<0 && b>0 && (a-b)>0)

3.条件码（显式设置：测试指令）

  • 通过测试指令也可以显式设置条件码
  • testq Src2, Src1
    ◼ testq b,a 这条指令和a&b的作用类似，但不需要将结果写入目标寄存器
    ◼ 根据 Src1&Src2 的结果设置条件码
    ◼ 用于对一个操作数的某几个位进行掩码检测
    ◼ ZF 被置位，当 a&b == 0
    ◼ SF 被置位，如果 (a&b) < 0

4.读取条件码

  • SetX指令
    ◼ 根据条件码表达式将目标寄存器的最后一个字节修改为0或1
    ◼ 不会影响目标寄存器最高7个字节的值在这里插入图片描述

5.x86-64 各寄存器中最后一个字节的名称

在这里插入图片描述

6.读取条件码

  • 在x86-64指令集中，32位操作指令 会将目标寄存器的高32位清0
    在这里插入图片描述

二、条件分支

1.跳转

  • jX指令
    ◼根据条件码跳转到代码的其他位置执行
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    这是机器指令与汇编代码的对应
    在这里插入图片描述
  • 生成汇编代码

gcc –Og -S –fno-if-conversion control.c

2.使用goto语句等价表示

  • 语言允许使用goto语句
    ◼ 跳转至标签所在位置的语句继续执行
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

3.条件表达式的翻译（使用分支）

  • 为Then和Else表达式创建独立的代码块
  • 根据条件选择合适的一个代码块并执行
    -
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4. 使用条件数据移动指令

  • 条件数据移动指令
    ◼ 指令的功能：if (Test) Dest Src
    ◼ 1995年后的x86处理器开始支持
    • GCC在编译时会尝试使用这个指令翻译条件分支
      ◼ 仅当保证逻辑安全的时候使用
  • 为什么使用条件数据移动指令？
    ◼ 分支会破坏流水线的指令流，影像处理器性能
    ◼ 条件数据移动指令不需要改变控制流
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

5.流水线

  • 最多可以有三条指令同时执行
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

下面是例子
这是C代码
在这里插入图片描述
这是寄存器存储的值
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

6.不能使用条件数据移动指令的情况

  • 大量的计算
    ◼ 条件数据移动指令会将所有的结果提前计算出来
    ◼ 只有计算都非常简单的时候，使用条件数据移动指令才会有意义
    在这里插入图片描述

  • 存在风险的计算
    ◼ 可能导致程序出错
    在这里插入图片描述

  • 有副作用的计算
    在这里插入图片描述

三、循环

1.Do-While循环

  • 计算x编码中“1” 的个数
  • 使用条件分支决定继续或退出循环
    C代码
    在这里插入图片描述
    goto版本
    在这里插入图片描述
    翻译后
    汇编为
    在这里插入图片描述

寄存器里的值为
在这里插入图片描述

Do-While循环通用的翻译方式

  • C代码
    在这里插入图片描述

  • Goto

  • 先执行 如果满足条件继续循环
    在这里插入图片描述

2.while循环

While循环通用的翻译方式（1）

  • “跳转到中间”翻译方法
  • 使用 –Og 编译优化选
    C代码
    在这里插入图片描述
    可以看到下面汇编代码里面执行到最后
    如果满足条件那么就跳转到中间
    与 do-while 循环相比，循环开始
    前先跳转至循环条件检测的位置    （注意第一行 gototest!!!）

在这里插入图片描述

While循环通用的翻译方式（2）

dowhile法
在这里插入图片描述
先翻译成dowhile
在这里插入图片描述

再依据dowhile的版本翻译Goto版本
在这里插入图片描述

3.for循环

for循环的通用翻译方式

“For” Loop → While Loop → Goto
在这里插入图片描述
while
在这里插入图片描述
dowhile
在这里插入图片描述
goto
在这里插入图片描述

四、switch语句

会考的
以下面的switch语句为例在这里插入图片描述
我们可以看到

  • 多个case （5 & 6）共用同一语句块
  • Case2贯穿
  • Case4缺失（case值不连续）

1.跳转表

  • 用作switch语句翻译的一个表
  • switch语句的通用翻译如下
    在这里插入图片描述
    注意这个goto 语句 后面接的是跳转表
    在这里插入图片描述

1.跳转表的结构

  • 基地址是 .L4
  • 每个跳转目标需要8个字节（指向目标语句块的地址）
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  • 这是跳转表里跳转目标对应的语句块
    在这里插入图片描述

2.直接跳转

  • jmp .L8
    直接跳转至.L8标签所指向地址的指令

3.间接跳转

  • jmp *.L4(,%rdi,8)
    • 跳转表起始地址.L4（跟那个存储器寻址可以类比一下）
    • 缩放因子必须是8的整倍数（每个地址是8个字节）
    • 从地址 .L4 + x*8 处获得跳转目标的位置
      • 仅限于 0 ≤ x ≤ 6的情况

4.分析跳转表（例子分析）

给一段switch语句
在这里插入图片描述
汇编代码为

在这里插入图片描述
跳转表如下
在这里插入图片描述

  • 跳转表与switch语句对应关系如图在这里插入图片描述
（1）正常情况 x==1

在这里插入图片描述
对应的汇编代码以及寄存器的值对应如下图
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

（2）代码块贯穿 x= =2 x= =3(无break）

对应C代码应该为在这里插入图片描述
汇编代码为（可以看到执行完case2就执行case3里面的代码 w+=z）在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

（3）缺省 x= =5 x= =6（共用一个代码块）

在这里插入图片描述

汇编代码也是共用一块
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

（4）没有从0开始的情况

在这里插入图片描述
汇编代码还是会处理成从0开始
在这里插入图片描述

（5）稀疏的switch语句

在这里插入图片描述

  • 将翻译为二分查找的语句 O(log n)
  • 而不是退化为 if-elseif-elseif-else O(n)
    在这里插入图片描述

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