如何安全地将 uint32_t 中的带符号字段提取为带符号的数字（int 或 uint32_t）

Question

我有一个项目，其中我正在获取 32 位 ARM 指令的向量，并且部分指令（偏移值）需要读取为有符号（二进制补码）数字而不是无符号数字。

我使用了一个 uint32_t 向量，因为所有的操作码和寄存器都被读取为无符号的并且整个指令是 32 位的。

例如：

我有这个 32 位 ARM 指令编码：

uint32_t addr = 0b00110001010111111111111111110110

后19位是我需要读取的分支偏移量，作为有符号整数分支位移。 这部分：1111111111111110110

我有这个函数，参数是整条32位指令：我向左移动 13 个位置，然后再次向右移动 13 个位置，以仅具有偏移值并移动指令的其他部分。

我已经尝试将此函数转换为不同的带符号变量，使用不同的转换方式和使用其他 C++ 函数，但它打印的数字是无符号的。

int getCat1BrOff(uint32_t inst)
{
    uint32_t temp = inst << 13;
    uint32_t brOff = temp >> 13;
    return (int)brOff;
}

我得到十进制数 524278 而不是 -10。

我认为最后一个选项不是最好的选项，但它可能工作是将所有二进制值设置为一个字符串。反转位并加 1 以转换它们，然后将新的二进制数转换回十进制数。正如我在论文中所做的那样，但这不是一个好的解决方案。

Answer 1

它归结为进行符号扩展，其中符号位是第 19 位。有两种方法。

使用算术移位。
检测符号位和/或高位。

在 C++ 中没有可移植的方法来执行 1.。但是可以在编译时检查。如果下面的代码是 UB，请纠正我，但我相信它只是实现定义的 - 我们在编译时检查。唯一有问题的是无符号到有符号的转换溢出和右移，但这应该由实现定义。

int getCat1BrOff(uint32_t inst)
{
    if constexpr (int32_t(0xFFFFFFFFu) >> 1 == int32_t(0xFFFFFFFFu))
    {
        return int32_t(inst << uint32_t{13}) >> int32_t{13};
    }
    else
    {
        int32_t offset = inst & 0x0007FFFF;
        if (offset & 0x00040000)
        {
            offset |= 0xFFF80000;
        }
        return offset;
    }
}

或更通用的解决方案

template <uint32_t N>
int32_t signExtend(uint32_t value)
{
    static_assert(N > 0 && N <= 32);
    constexpr uint32_t unusedBits = (uint32_t(32) - N);
    if constexpr (int32_t(0xFFFFFFFFu) >> 1 == int32_t(0xFFFFFFFFu))
    {
        return int32_t(value << unusedBits) >> int32_t(unusedBits);
    }
    else
    {
        constexpr uint32_t mask = uint32_t(0xFFFFFFFFu) >> unusedBits;
        value &= mask;
        if (value & (uint32_t(1) << (N-1)))
        {
            value |= ~mask;
        }
        return int32_t(value);
    }
}

https://godbolt.org/z/rb-rRB

Answer 2

实际上，你只需要将 temp 声明为已签名：

int getCat1BrOff(uint32_t inst)
{
    int32_t temp = inst << 13;
    return temp >> 13;
}

很遗憾，这是 not portable:

For negative a, the value of a >> b is implementation-defined (in most implementations, this performs arithmetic right shift, so that the result remains negative).

但我还没有遇到一个编译器没有做这里显而易见的事情。

如何安全地将 uint32_t 中的带符号字段提取为带符号的数字（int 或 uint32_t）

How to safely extract a signed field from a uint32_t into a signed number (int or uint32_t)

c++

type-conversion

arm

machine-code

sign-extension