从C编译器了解MIPS汇编代码

Question

我将C代码转换为MIPS,我无法理解MIPS指令的一部分:

#include <inttypes.h>
#include <stdint.h>

uint16_t
chksum(uint16_t sum, const uint8_t *data, uint16_t len)
{
    uint16_t t;
    const uint8_t *dataptr;
    const uint8_t *last_byte;

    dataptr = data;
    last_byte = data + len - 1;

    while (dataptr < last_byte)
    {
        t = (dataptr[0] << 8) + dataptr[1];
        sum += t;
        if (sum < t)
        {
            sum++;
        }
        dataptr += 2;
    }
    if (dataptr == last_byte)
    {
        t = (dataptr[0] << 8) + 0;
        sum += t;
        if (sum < t)
        {
            sum++;
        }
    }
    return sum;
}

我用的Godbolt编译探险MIPS gcc5.4与-O2优化,默认-march不具有加载互锁经典MIPS1的:

chksum(unsigned short, unsigned char const*, unsigned short):
  andi $6,$6,0xffff
  addiu $6,$6,-1
  addu $6,$5,$6
  sltu $3,$5,$6
  beq $3,$0,$L2
  andi $2,$4,0xffff

  move $4,$5
$L4:
  lbu $3,0($4)
  lbu $7,1($4)
  sll $3,$3,8
  addu $3,$3,$7
  andi $3,$3,0xffff
  addu $2,$3,$2
  andi $2,$2,0xffff
  addiu $4,$4,2
  sltu $3,$2,$3
  sltu $7,$4,$6
  beq $3,$0,$L3
  addiu $8,$2,1

  andi $2,$8,0xffff
$L3:
  bne $7,$0,$L4
  nor $3,$0,$5

  addu $3,$3,$6
  srl $3,$3,1
  addiu $3,$3,1
  sll $3,$3,1
  addu $5,$5,$3
$L2:
  beq $6,$5,$L8
  nop

$L9:
  j $31
  nop

$L8:
  lbu $3,0($6)
  nop
  sll $3,$3,8
  addu $2,$3,$2
  andi $2,$2,0xffff
  sltu $3,$2,$3
  beq $3,$0,$L9
  nop

  addiu $2,$2,1
  j $31
  andi $2,$2,0xffff

我将大部分指令与代码相匹配,但直到前面我才能理解$L3从nor指令开始的部分.addu$L2

编译器资源管理器显示该部分与该部分相关while但我不明白为什么它$5在分支之前操纵它$L2.

Answer 1

我们来分析一下这段代码做了什么。一些映射使代码易于理解：

Initial parameters:
    $4: sum  parameter
    $5: data parameter
    $6: len  parameter

Labels:
    $L4: while body
    $L3: while condition
    $L2: if condition

Registers:
    $2: sum
    $4: dataptr
    $6: last_byte

相关代码：

    // [...]
    sltu $3,$5,$6     // $3 = $5 (data parameter) < $6 (last_byte) ? 1 : 0
    beq $3,$0,$L2     // if $3 == 0 goto $L2 (if condition)
    andi $2,$4,0xffff // $2 (sum) = $4 (sum parameter) & 0xFFFF
    move $4,$5        // $4 (dataptr) = $5 (data parameter)

$L4: // while body
    // [...]
    sltu $7,$4,$6     // $7 = $4 (dataptr) < $6 (last_byte) ? 1 : 0
    // [...]

$L3: // while condition
    bne $7,$0,$L4     // if $7 != 0 goto $L4 (while body) [1]

    nor $3,$0,$5      // $3 = $5 (data) nor 0

    addu $3,$3,$6     // $3 += $6 (last_byte)

    srl $3,$3,1       // $3 >>= 1
    addiu $3,$3,1     // $3++
    sll $3,$3,1       // $3 <<= 1

    addu $5,$5,$3     // $5 += $3

$L2: // if condition
  beq $6,$5,$L8       // if $6 (last_byte) == $5 goto $L8 [2]

循环while结束于[1]。其余指令直到[2] 将一个值计算到寄存器中以与源代码中的( )$5进行比较。$6last_byteif

这里的问题是： 的值是多少$5？如果将所有操作放在一起，您将得到：

$5 = $5 + ((((($5 nor 0) + $6) >> 1) + 1) << 1)

我们来解开这个表达式。首先，认识到：

x NOR 0 = NOT(x OR 0) = ~(x | 0) = ~x

所以它只是对 取反（补码）$5。

然后，它添加$6，即last_byte。

接下来的 3 个运算 ( >> 1, + 1, << 1) 是计算下一个偶数的方法。看看几个案例会发生什么：

0000 (0) -> 0010 (2)
0001 (1) -> 0010 (2)
0010 (2) -> 0100 (4)
0011 (3) -> 0100 (4)
0100 (4) -> 0110 (6)
0101 (5) -> 0110 (6)
0110 (6) -> 1000 (8)
0111 (7) -> 1000 (8)

最后，它添加了 的原始值$5，即参数data。

如果将所有内容放在一起，并为了清楚起见替换为 C 变量的名称，您将得到：

$5 = data + next_even(~data + last_byte)

回想一下，对于二进制补码整数：

x - y == x + ~y + 1

所以：

$5 = data + next_even(last_byte - data - 1)
   = data + next_even(len - 2)

现在，计算相减后的下一个偶数2基本上就是删除最低位的信息；换句话说，是偶数的“下限”。这可以表示为如果是偶数则返回相同的数字，如果是奇数则返回减一，即：

$5 = data + (len % 2 ? len : len - 1)

最后，编译器将此寄存器与$6( last_byte) 进行比较。简化：

     last_byte == data + (len % 2 ? len : len - 1)
data + len - 1 == data + (len % 2 ? len : len - 1)
       len - 1 == len % 2 ? len : len - 1
       len % 2 != 0

现在我们还可以看到，这个表达式实际上只依赖于len，而不依赖于data。

dataptr编译器使用所有这些指令，有效地从data和重新计算last_bytes。事实上，如果您认为dataptr只能以data的增量前进2，我们可以将其重写为：

data + 2 * n_increments
data + 2 * (len / 2)
data + (len % 2 ? len : len - 1)

这正是上面计算的值$5。

知道了这一点，人们可能会想知道为什么编译器会得出这个解决方案。最新版本的 GCC (8.1.0) 和 x86-64 也会发生同样的情况：

mov rdx, rsi
not rdx
add rdx, r8
shr rdx
lea rsi, [rsi+2+rdx*2]

很明显，优化器意识到 的最终值dataptr可以独立于while循环进行计算——但是，尚不清楚为什么它决定这样做而不是从寄存器中选取值。也许它已经决定避免对循环结果的依赖比其他方式更快（由于指令流水线）。