Đắm mình vào hệ thống - Dive into Systems

9.4.1. Kiến thức cơ bản (Preliminaries)

Lệnh so sánh có điều kiện (Conditional Comparison Instructions)

Các lệnh so sánh thực hiện một phép toán số học nhằm phục vụ cho việc điều khiển thực thi có điều kiện của chương trình.
Bảng 1 liệt kê các lệnh cơ bản liên quan đến điều khiển có điều kiện.

Bảng 1. Các lệnh điều khiển có điều kiện

Lệnh cmp so sánh giá trị của hai toán hạng O1 và O2, cụ thể là trừ O2 khỏi O1.
Lệnh tst thực hiện phép bitwise AND. Một ví dụ thường gặp:

tst x0, x0

Trong ví dụ này, phép AND bitwise của x0 với chính nó chỉ cho kết quả bằng 0 khi x0 chứa giá trị 0.
Nói cách khác, đây là phép kiểm tra giá trị bằng 0, tương đương với:

cmp x0, #0

Không giống như các lệnh số học đã đề cập trước đó, cmp và tst không ghi kết quả vào một thanh ghi đích.
Thay vào đó, cả hai lệnh này sẽ thay đổi một tập hợp các giá trị 1-bit gọi là condition code flags.

Ví dụ, cmp sẽ thay đổi các cờ điều kiện dựa trên việc phép tính O1 - O2 cho kết quả dương (lớn hơn), âm (nhỏ hơn) hoặc bằng 0 (bằng nhau).
Hãy nhớ rằng condition code lưu trữ thông tin về một phép toán trong ALU.
Các cờ điều kiện là một phần của trạng thái bộ xử lý ARM (PSTATE), thay thế cho thanh ghi trạng thái chương trình hiện tại (CPSR) trong hệ ARMv7-A.

Bảng 2. Các cờ điều kiện thường dùng

Xét lại lệnh cmp O1, O2:

• Cờ Z được đặt thành 1 nếu O1 và O2 bằng nhau.
• Cờ N được đặt thành 1 nếu O1 nhỏ hơn O2 (tức O1 - O2 cho kết quả âm).
• Cờ V được đặt thành 1 nếu phép O1 - O2 gây tràn số (hữu ích cho so sánh có dấu).
• Cờ C được đặt thành 1 nếu phép O1 - O2 gây carry số học (hữu ích cho so sánh không dấu).

Việc tìm hiểu sâu về các cờ điều kiện nằm ngoài phạm vi của sách này, nhưng cần lưu ý rằng việc cmp và tst thiết lập các cờ này cho phép các lệnh tiếp theo (lệnh branch) hoạt động chính xác.

Lệnh nhánh (The Branch Instructions)

Lệnh nhánh cho phép chương trình “nhảy” tới một vị trí mới trong code lệnh.
Trong các chương trình assembly mà ta đã phân tích, pc luôn trỏ tới lệnh kế tiếp trong bộ nhớ chương trình.
Lệnh nhánh cho phép pc được đặt tới một lệnh mới chưa thực thi (như trong câu lệnh if) hoặc tới một lệnh đã thực thi trước đó (như trong vòng lặp).

Lệnh nhánh trực tiếp (Direct branch instructions)

Bảng 3. Các lệnh nhánh thường dùng

Bảng 3 liệt kê tập hợp các lệnh nhánh thường dùng; trong đó L là một symbolic label (nhãn ký hiệu), đóng vai trò như một định danh trong tệp đối tượng (object file) của chương trình.
Tất cả các nhãn đều bao gồm một số chữ cái và chữ số, theo sau là dấu hai chấm.
Nhãn có thể là local (cục bộ) hoặc global (toàn cục) trong phạm vi của một tệp đối tượng.

• Nhãn của hàm thường là global và thường bao gồm tên hàm kèm dấu hai chấm. Ví dụ: main: (hoặc <main>:) được dùng để đánh dấu hàm main do người dùng định nghĩa.
• Theo quy ước, các nhãn có phạm vi local thường được đặt dấu chấm ở đầu. Bạn có thể bắt gặp một nhãn local như .L1 trong ngữ cảnh của một câu lệnh if hoặc vòng lặp.

Mỗi nhãn đều có một địa chỉ liên kết (addr trong Bảng 3).
Khi CPU thực thi lệnh b, nó sẽ đặt thanh ghi pc thành addr.
Lệnh b cho phép bộ đếm chương trình (program counter) thay đổi trong phạm vi 128 MB so với vị trí hiện tại.
Người lập trình assembly cũng có thể chỉ định một địa chỉ cụ thể để nhảy tới bằng lệnh br.
Không giống b, lệnh br không bị giới hạn về phạm vi địa chỉ.

Đôi khi, các nhãn local cũng được hiển thị dưới dạng offset so với điểm bắt đầu của một hàm.
Ví dụ, một lệnh nằm cách điểm bắt đầu của main 28 byte có thể được biểu diễn bằng nhãn <main+28>.
Lệnh b 0x7d0 <main+28> nghĩa là nhảy tới địa chỉ 0x7d0, nhãn <main+28>, tức là cách điểm bắt đầu của hàm main 28 byte.
Khi thực thi lệnh này, pc sẽ được đặt thành 0x7d0.

Ba lệnh cuối trong Bảng 3 là conditional branch instructions (lệnh nhánh có điều kiện).
Nói cách khác, thanh ghi pc chỉ được đặt thành addr nếu điều kiện cho trước được đánh giá là đúng.

• Với cbz, nếu thanh ghi R bằng 0, nhánh sẽ được thực hiện và pc được đặt thành addr.
• Với cbnz, nếu thanh ghi R khác 0, nhánh sẽ được thực hiện và pc được đặt thành addr.

Mạnh mẽ nhất trong các lệnh nhánh có điều kiện là b.c, cho phép compiler hoặc lập trình viên assembly chọn một hậu tố (suffix) tùy chỉnh để chỉ ra điều kiện thực hiện nhánh.

Hậu tố lệnh nhánh có điều kiện (Conditional branch instruction suffixes)

Bảng 4 liệt kê các hậu tố nhánh có điều kiện thường gặp (ký hiệu c).
Khi dùng với lệnh nhánh, mỗi lệnh bắt đầu bằng chữ b và dấu chấm, biểu thị đây là lệnh nhánh.
Hậu tố c chỉ ra điều kiện để thực hiện nhánh.
Các hậu tố này cũng xác định việc so sánh số sẽ được hiểu là có dấu (signed) hay không dấu (unsigned).

Lưu ý: lệnh nhánh có điều kiện có phạm vi ngắn hơn nhiều (1 MB) so với lệnh b.
Những hậu tố này cũng được dùng cho lệnh conditional select (csel), sẽ được đề cập ở phần tiếp theo.

Bảng 4. Hậu tố lệnh nhánh có điều kiện (các từ đồng nghĩa được ghi trong ngoặc)

Câu lệnh goto

Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các câu lệnh điều kiện và vòng lặp trong assembly và dịch ngược chúng về C.
Khi dịch ngược code assembly của các câu lệnh điều kiện và vòng lặp về C, việc hiểu dạng goto tương ứng trong C là rất hữu ích.

Câu lệnh goto là một primitive trong C, buộc chương trình chuyển luồng thực thi sang một dòng khác trong code.
Lệnh assembly tương ứng với goto là b.

Cú pháp goto gồm từ khóa goto theo sau là một goto label — một loại nhãn chương trình chỉ ra rằng việc thực thi sẽ tiếp tục tại vị trí được đánh dấu bởi nhãn đó.
Ví dụ: goto done nghĩa là chương trình sẽ nhảy tới dòng có nhãn done.

Các ví dụ khác về nhãn trong C bao gồm nhãn của câu lệnh switch đã được đề cập ở Chương 2.

Các đoạn code dưới đây minh họa hàm getSmallest được viết bằng C thông thường (bên trái) và dạng goto tương ứng trong C (bên phải).
Hàm getSmallest so sánh giá trị của hai số nguyên (x và y), và gán giá trị nhỏ hơn cho biến smallest.

Phiên bản C thông thường

int getSmallest(int x, int y) {
    int smallest;

    if ( x > y ) { // if (conditional)
        smallest = y; // then statement
    }
    else {
        smallest = x; // else statement
    }
    return smallest;
}

Phiên bản dùng goto

int getSmallest(int x, int y) {
    int smallest;

    if (x <= y) { // if (!conditional)
        goto else_statement;
    }

    smallest = y; // then statement
    goto done;

else_statement:
    smallest = x; // else statement

done:
    return smallest;
}

Bảng 5. So sánh một hàm C và dạng goto tương ứng.

Dạng goto của hàm này có thể trông hơi phản trực giác, nhưng hãy phân tích xem thực chất chuyện gì đang diễn ra.
Câu lệnh điều kiện kiểm tra xem biến x có nhỏ hơn hoặc bằng y hay không.

• Nếu x nhỏ hơn hoặc bằng y, chương trình sẽ chuyển quyền điều khiển tới nhãn else_statement, nơi chứa duy nhất câu lệnh smallest = x. Vì chương trình thực thi tuần tự, nó sẽ tiếp tục chạy phần code dưới nhãn done, trả về giá trị của smallest (x).

• Nếu x lớn hơn y, thì smallest được gán bằng y. Sau đó chương trình thực thi câu lệnh goto done, chuyển quyền điều khiển tới nhãn done, trả về giá trị của smallest (y).

Mặc dù câu lệnh goto từng được sử dụng phổ biến trong những ngày đầu của lập trình, nhưng trong code hiện đại, việc dùng goto được xem là một thói quen xấu, vì nó làm giảm khả năng đọc hiểu của mã nguồn.
Thực tế, nhà khoa học máy tính Edsger Dijkstra đã viết một bài báo nổi tiếng chỉ trích việc sử dụng goto với tiêu đề Go To Statement Considered Harmful¹.

Nhìn chung, các chương trình C được thiết kế tốt sẽ không sử dụng goto, và lập trình viên được khuyến cáo tránh dùng nó để không tạo ra code khó đọc, khó gỡ lỗi và khó bảo trì.
Tuy nhiên, việc hiểu câu lệnh goto trong C vẫn quan trọng, vì GCC thường chuyển đổi code C có chứa điều kiện sang dạng goto trước khi dịch sang assembly — bao gồm cả code có câu lệnh if và vòng lặp.

Các phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết hơn về cách biểu diễn câu lệnh if và vòng lặp trong assembly:

• If Statements
• Loops

Tài liệu tham khảo