assembly - 如何在汇编中将有符号 8 位字节转换为有符号 16 位整数？

Question

使用 Arduino，我必须在 Atmel AVR Assembly 中为我的计算机科学类(class)编写一个函数，将带符号的 8 位字节转换为带符号的 16 位整数。我也不允许使用任何分支指令(但跳过是可以的)。

我知道这是错误的，但这就是我迄今为止所得到的:

.global byteToInt
byteToInt:
  sbrc r24, 7
  ldi r25, 1
  asr r25
  ret

有谁知道我如何使这个功能发挥作用？任何帮助将不胜感激!

Answer 1

显然，您需要将 char 的符号位复制到上半部分的每一位。在大多数架构上，最简单的方法是复制一个寄存器并将其算术右移 7。但是 AVR 只有 shift-by-1 instruction。 ，所以我们无法有效地做到这一点。

有条件地将 0 或 -1 存入寄存器的另一个技巧是 subtract-with-borrow从自身寄存器获取0 - C。例如sbc r25，r25。

现在我们只需要一种方法来设置进位标志，如果 8 位数字为负数，即当它被视为无符号整数时，如果它 > 127，因为 C 总是基于事物的无符号解释来设置。 AVR 有一个比较立即指令，CPI ，但仅适用于 r16-r31，不适用于低寄存器。此外，它设置的 cflags与我们真正想要的相反，因此我们必须使用另一条指令来反转结果。所以我认为我们最好以另一种方式与寄存器中的值进行比较:

; Most efficient way, I think:
sign_extend:
    ldi   r25, 127       ; can be hoisted out of loops, and any reg is fine.

    cp    r25, r24        ; C = (r24 < 0)
    sbc   r25, r25        ; r25 = (r24 < 0) ? -1 : 0
    ; result in r25:r24

更好的是，如果您需要在循环中执行此操作，可以将 127 保存在不同的寄存器中。

对于 CPI，您可以这样做:

; slightly worse: only works with r16-r31, and worse in loops
sign_extend:
    cpi   r24, 127        ; C = (r24 < 128U) = ((signed)r24 >= 0)
    sbc   r25, r25        ; r25 = (r24>=0) ? -1 : 0
    com   r25             ; ones-complement negation: 0 : -1

或者，为了避免使用哪个寄存器的限制，请以其他方式进行比较:

我从未使用过 AVR，所以我只是根据 google 找到的指令集引用手册(以及我对其他 ISA 的 asm 的了解，例如 x86 和 ARM)来编写此内容。根据这些文档，所有这些指令都是 1 个字(2 个字节)，具有 1 个周期延迟。这比 gcc4.5 的做法要好:

<小时/>

找到好的指令序列的通常方法是询问编译器AVR gcc4.5 -O3 on godbolt这样做:

short sign_extend(signed char a) { return a; }

sign_extend:
    mov r18,r24     ;; IDK why gcc uses r18 and r19.

    clr r19
    sbrc r18,7
    com r19

    mov r25,r19
    ret

所以它zeros R19 ，然后使用 SBRC根据 R18 的符号位(位 7)有条件地执行逻辑非 ( COM )。

我不确定额外的 MOV 是做什么用的。我也不确定为什么它会反转零而不是设置所有不依赖输入的位。 (例如 ldi r19, $FF 或 SBR alias for it 。如果曾经存在无序执行 AVR，那么效率会更高。:P

我不确定 MOV 指令的用途。 SBRC 是非破坏性的。所以 AFAICT，一个有效的实现是

sign_extend:
    clr   r25
    sbrc  r24,7
    ldi   r25, $FF
    ret

这仍然比 CP/SBC 更糟糕，因为如果进行跳过，SBRC 需要 2 个周期。

<小时/>

我认为 SBC 对 R25 旧值的“错误依赖”在 AVR 上不是问题。在乱序 x86 CPU 上，只有 AMD 能够识别 sbb eax, eax独立于 eax 的旧值，并且仅取决于标志。 Intel CPU 就可以正常运行。 (它们确实将 xor eax,eax 等指令识别为独立指令，以及 it's the standard zeroing-idiom for x86 。)

因此，在非 AMD CPU 上，如果最后编写 EAX 的代码在缓存中丢失负载或其他高延迟的情况下执行，sbb eax, eax 甚至无法执行标志是否已准备好(即来自独立的依赖链)。但在 AMD CPU 上，它将为 EAX 启动一个新的依赖链。

无论如何，我认为 AVR 是一个相当简单的有序流水线设计，因此旧寄存器不可能成为性能地雷，除非执行(例如)缓存未命中的代码永远不会加载到其中使用了结果。 (即使是有序管道也不需要等待高延迟操作，直到有人使用结果。)