ARM64 指令 --- TST/CSEL

一、TST

1.1 TST (immediate)

TST (immediate) — Test bits (immediate)

用途： 这是一个测试指令。它在一个通用寄存器（Rn）的值和一个立即数常量之间执行逻辑 AND 操作，但不会将结果写回任何寄存器。

主要功能： 检查寄存器中的特定位，并根据结果设置条件标志。通常用于条件分支（B.cond）之前。

效果： 只会更新 PSTATE（相当于当前程序状态寄存器）中的 NZCV 条件标志位。

别名性质： 它是 ANDS（立即数）的一个谓词别名。这意味着CPU执行的操作与 ANDS（立即数） 完全相同，但当目标寄存器是零寄存器（XZR/WZR）时，汇编器使用 TST 这个助记符，使代码意图更清晰。

Encoding for the 64-bit variant：

TST<Xn>,#<imm>

等价于：

ANDS XZR,<Xn>,#<imm>

TST <Xn>, #imm 是 ANDS XZR, <Xn>, #imm 的汇编器别名。
使用 TST 更清晰地表达“仅测试”的意图，提高代码可读性。

更新 PSTATE（相当于当前程序状态寄存器）中的 NZCV 条件标志位：
N 标志：若结果最高位为 1，则 N=1
Z 标志：若结果为 0，则 Z=1（常用于判断某些位是否全为 0）
C 和 V：对于 AND/TST，通常 C=0、V=0（具体取决于架构定义，但一般不依赖它们）

典型用途：
用于测试寄存器中某些特定位是否被置位，而不修改寄存器内容。

示例：

TST X0,#0xF// 测试 X0 的低 4 位是否全为 0B.EQ label// 如果 Z=1（即低4位为0），则跳转

等价于：

ANDS XZR,X0,#0xF// XZR 是零寄存器，结果被丢弃B.EQ label

1.2 TST (shifted register)

用途： 这是一个测试指令。它在一个寄存器（Rn）的值和另一个经过可选移位操作的寄存器（Rm）值之间执行逻辑 AND 操作，但不会将结果写回任何寄存器。

主要功能： 检查寄存器中经过移位对齐后的特定位组合，并根据结果设置条件标志。常用于更灵活的位测试场景。

效果： 只更新 PSTATE 中的 NZCV 条件标志位。

别名性质： 它是 ANDS（移位寄存器）的一个谓词别名。当目标寄存器是零寄存器（XZR/WZR）时，使用 TST 助记符。

支持的移位类型
与 ANDS 相同，TST 支持以下移位操作：
LSL（逻辑左移）：Rm << shift_amount
LSR（逻辑右移）：Rm >> shift_amount（无符号）
ASR（算术右移）：Rm >> shift_amount（有符号，符号扩展）
ROR（循环右移）：Rm 循环右移

Encoding for the 64-bit variant：

TST<Xn>,<Xm>{,<shift>#<amount>}

等价于：

ANDS XZR,<Xn>,<Xm>{,<shift>#<amount>}

典型用途：
用于测试一个寄存器中某些由另一个寄存器（可能移位后）指定的位是否被置位。

二、CSEL

2.1 简介

Encoding for the 64-bit variant：

CSEL<Xd>,<Xn>,<Xm>,<cond>

Xd：目标寄存器
Xn：第一个源寄存器（条件为真时选择）
Xm：第二个源寄存器（条件为假时选择）
cond：条件代码（如 EQ, NE, GT, LT 等）

全称： Conditional Select

功能： 根据条件标志（NZCV）的状态，从两个源寄存器中选择一个的值写入目标寄存器。

执行方式：
如果指定的条件为真，将第一个源寄存器的值写入目标寄存器。
如果指定的条件为假，将第二个源寄存器的值写入目标寄存器。

特点： 避免了传统的条件分支，提高代码效率和性能。

不修改任何条件标志（NZCV）。
条件基于执行 CSEL 前最近一次更新标志的指令（如 CMP, TST, SUBS, ADDS 等）。

cond：

cond<cond>0000EQ0001NE0010CS0011CC0100MI0101PL0110VS0111VC1000HI1001LS1010GE1011LT1100GT1101LE1110AL1111NV

2.2 CSEL的扩展指令

ARMv8-A还提供了CSEL的扩展指令，增强了功能：
CSINC：条件选择并加 1（常用于实现 ? : 0/1）
CSINV：条件选择并对第二操作数按位取反
CNEG：条件选择并对第二操作数取负
这些指令共同构成 AArch64 的条件选择指令族，用于高效实现分支逻辑。

相关指令的关系：

ARMv8-A架构条件执行指令族中的算术成员：CSEL（基本选择）与 CSINC（递增）、CSINV（位取反），CSNEG（取负）共同构成了完整的无分支条件操作体系。通过消除算术条件操作中的分支，这些指令显著提升了数值密集型代码的性能。

2.2.1 CSINC

Encoding for the 64-bit variant：

CSINC<Xd>,<Xn>,<Xm>,<cond>

全称： Conditional Select Increment

功能： 基于条件，在两个源寄存器值之间选择，但当条件为假时，会对第二个源寄存器的值加1。

执行方式：
如果条件为真，将第一个源寄存器的值写入目标寄存器。
如果条件为假，将第二个源寄存器的值加1写入目标寄存器。

数学表达： Rd = cond ? Rn : (Rm + 1)

不修改条件标志（NZCV）。
是 CINC 和 CSET 等汇编别名的底层实现指令。

2.2.2 CSINV

Encoding for the 64-bit variant：

CSINV<Xd>,<Xn>,<Xm>,<cond>

全称： Conditional Select Invert

功能： 基于条件，在两个源寄存器值之间选择，但当条件为假时，会对第二个源寄存器的值进行按位取反。

执行方式：
如果条件为真，将第一个源寄存器的值写入目标寄存器。
如果条件为假，将第二个源寄存器的值按位取反写入目标寄存器。

数学表达： Rd = cond ? Rn : ~Rm

不修改 NZCV 条件标志。
是汇编别名 CINV 和 CSETM 的底层实现指令。

2.2.3 CSNEG

Encoding for the 64-bit variant：

CSNEG<Xd>,<Xn>,<Xm>,<cond>

全称： Conditional Select Negation

功能： 基于条件，在两个源寄存器值之间选择，但当条件为假时，会对第二个源寄存器的值进行算术取负（计算其相反数）。

执行方式：
如果条件为真，将第一个源寄存器的值写入目标寄存器。
如果条件为假，将第二个源寄存器的值的相反数写入目标寄存器。

数学表达： Rd = cond ? Rn : -Rm

不修改 NZCV 条件标志。
是汇编别名 CNEG 本身的底层实现。

三、demo

3.1 tst

3.1.1 demo 1

.section.text.global _start _start:// -------------------------------// case 1: bit 测试失败 → Z = 1 → b.eq// -------------------------------mov x0,#0b0000 tst x0,#0b1000// 0 & 8 == 0 → Z=1b.eq bit_clear bit_set:mov x1,#1// 不应该走到这里b done bit_clear:mov x1,#0// 应该走到这里done:// 把 NZCV 存下来，方便 GDB 看mrs x2,nzcv nop// exitmov x8,#93mov x0,#0svc #0

$ as-o tst_branch_demo.o tst_branch_demo.s $ ld-o tst_branch_demo tst_branch_demo.o $ gdb./tst_branch_demo......(gdb)set disassemble-next-lineon(gdb)starti Starting program:tst_branch_demo

0x0000000000400078in_start()=>0x0000000000400078<_start+0>:000080d2 mov x0,#0x0// #0(gdb)si0x000000000040007cin_start()=>0x000000000040007c<_start+4>:1f007d f2 tst x0,#0x8(gdb)si0x0000000000400080in_start()=>0x0000000000400080<_start+8>:60000054b.eq0x40008c<bit_clear>// b.none(gdb)si0x000000000040008cinbit_clear()=>0x000000000040008c<bit_clear+0>:010080d2 mov x1,#0x0// #0(gdb)info registers x1 x10x00(gdb)si0x0000000000400090indone()=>0x0000000000400090<done+0>:02423b d5 mrs x2,nzcv(gdb)si0x0000000000400094indone()=>0x0000000000400094<done+4>:1f2003d5nop(gdb)info registers x1 x2 x10x00x20x400000001073741824

（1）单步到 tst

(gdb)si0x000000000040007cin_start()=>0x000000000040007c<_start+4>:1f007d f2 tst x0,#0x8

（2）再一步，看分支

(gdb)si0x0000000000400080in_start()=>0x0000000000400080<_start+8>:60000054b.eq0x40008c<bit_clear>// b.none

（3）再 si 一次

(gdb)si0x000000000040008cinbit_clear()=>0x000000000040008c<bit_clear+0>:010080d2 mov x1,#0x0// #0

说明：
确实跳到了 bit_clear

验证寄存器：

(gdb)info registers x1 x2 x10x00x20x400000001073741824

N=0，Z = 1，C=0，V=0

3.1.2 demo 2

改一个数，分支立刻反转：

mov x0,#0b1000 tst x0,#0b1000// 8 & 8 != 0 → Z=0b.eq bit_clear

这次：

b.eq 不跳 会执行 bit_set x1=1NZCV=0

.section.text.global _start _start:// -------------------------------// case 1: bit 测试失败 → Z = 1 → b.eq// -------------------------------mov x0,#0b1000 tst x0,#0b1000// 8 & 8 != 0 → Z=0b.eq bit_clear bit_set:mov x1,#1// 不应该走到这里b done bit_clear:mov x1,#0// 应该走到这里done:// 把 NZCV 存下来，方便 GDB 看mrs x2,nzcv nop// exitmov x8,#93mov x0,#0svc #0

结果：

(gdb)starti Starting program:tst_branch_demo1 Program stopped.0x0000000000400078in_start()=>0x0000000000400078<_start+0>:000180d2 mov x0,#0x8// #8(gdb)si0x000000000040007cin_start()=>0x000000000040007c<_start+4>:1f007d f2 tst x0,#0x8(gdb)si0x0000000000400080in_start()=>0x0000000000400080<_start+8>:60000054b.eq0x40008c<bit_clear>// b.none(gdb)si0x0000000000400084inbit_set()=>0x0000000000400084<bit_set+0>:210080d2 mov x1,#0x1// #1(gdb)si0x0000000000400088inbit_set()=>0x0000000000400088<bit_set+4>:02000014b0x400090<done>(gdb)si0x0000000000400090indone()=>0x0000000000400090<done+0>:02423b d5 mrs x2,nzcv(gdb)si0x0000000000400094indone()=>0x0000000000400094<done+4>:1f2003d5nop(gdb)info registers x1 x2 x10x11x20x00

3.2 TST + CSEL

3.2.1 demo 1

用 TST + CSEL 在 ARM64 上实现 无分支 if–else。

等价的 C 代码：

if(x&0x8)y=1;elsey=0;

我们现在要做的是：
不用 b.eq / b.ne
只靠 TST + CSEL

核心指令模型：

tst x0,#0x8// 设置 Zcsel x1,x_true,x_false,ne

含义是：
如果 Z == 0（NE） → 选 x_true
否则 → 选 x_false

.section.text.global _start _start:// --------------------------------// x0 = 输入值// --------------------------------mov x0,#0b1000// ← 改成 0b0000 试试// --------------------------------// if (x0 & 0x8)// x1 = 1;// else// x1 = 0;// --------------------------------tst x0,#0x8// 只改 NZCVmov x2,#1// true 值mov x3,#0// false 值csel x1,x2,x3,ne// Z==0 ? x2 : x3// 保存 NZCV 供 GDB 查看mrs x4,nzcv nop// exitmov x8,#93mov x0,#0svc #0

CSEL 不跳转，只是根据 NZCV 拷贝一个寄存器。

(gdb)set disassemble-next-lineon(gdb)starti Starting program:tst_csel_demo Program stopped.0x0000000000400078in_start()=>0x0000000000400078<_start+0>:000180d2 mov x0,#0x8// #8(gdb)si0x000000000040007cin_start()=>0x000000000040007c<_start+4>:1f007d f2 tst x0,#0x8(gdb)si0x0000000000400080in_start()=>0x0000000000400080<_start+8>:220080d2 mov x2,#0x1// #1(gdb)si0x0000000000400084in_start()=>0x0000000000400084<_start+12>:030080d2 mov x3,#0x0// #0(gdb)si0x0000000000400088in_start()=>0x0000000000400088<_start+16>:4110839a csel x1,x2,x3,ne// ne = any(gdb)si0x000000000040008cin_start()=>0x000000000040008c<_start+20>:04423b d5 mrs x4,nzcv(gdb)si0x0000000000400090in_start()=>0x0000000000400090<_start+24>:1f2003d5nop(gdb)info registers x0 x1 x4 x00x88x10x11x40x00

（1）x0 = 0b1000

tst x0,#0x8// 8 & 8 != 0 → Z = 0

（2）NZCV：

Z=0

（3）CSEL 执行：

csel x1,x2,x3,ne// NE = Z==0 → true

（4）结果：

x1=1x4=0x00000000

3.2.2 demo 2

.section.text.global _start _start:// --------------------------------// x0 = 输入值// --------------------------------mov x0,#0b0000// --------------------------------// if (x0 & 0x8)// x1 = 1;// else// x1 = 0;// --------------------------------tst x0,#0x8// 只改 NZCVmov x2,#1// true 值mov x3,#0// false 值csel x1,x2,x3,ne// Z==0 ? x2 : x3// 保存 NZCV 供 GDB 查看mrs x4,nzcv nop// exitmov x8,#93mov x0,#0svc #0

(gdb)set disassemble-next-lineon(gdb)starti Starting program:tst_csel_demo Program stopped.0x0000000000400078in_start()=>0x0000000000400078<_start+0>:000080d2 mov x0,#0x0// #0(gdb)si0x000000000040007cin_start()=>0x000000000040007c<_start+4>:1f007d f2 tst x0,#0x8(gdb)si0x0000000000400080in_start()=>0x0000000000400080<_start+8>:220080d2 mov x2,#0x1// #1(gdb)si0x0000000000400084in_start()=>0x0000000000400084<_start+12>:030080d2 mov x3,#0x0// #0(gdb)si0x0000000000400088in_start()=>0x0000000000400088<_start+16>:4110839a csel x1,x2,x3,ne// ne = any(gdb)si0x000000000040008cin_start()=>0x000000000040008c<_start+20>:04423b d5 mrs x4,nzcv(gdb)si0x0000000000400090in_start()=>0x0000000000400090<_start+24>:1f2003d5nop(gdb)info x0 x1 x4 Undefined info command:"x0 x1 x4".Try"help info".(gdb)info registers x0 x1 x4 x00x00x10x00x40x400000001073741824

（1）x0 = 0b0000

tst x0,#0x8// 0 & 8 == 0 → Z = 1

（2）NZCV：

Z=1

（3）CSEL 执行：

csel x1,x2,x3,ne// NE 不满足 → 选 false

（4）结果：

x1=0x4=0x40000000// Z 位

3.2.3 总结

把它抽象成“公式”

tst cond,mask csel dst,val_true,val_false,ne

等价于：

dst=(cond&mask)?val_true:val_false;

TST → 只负责产生 Z
CSEL → 只消费 NZCV