ARM_Instruction_Set_Encoding_hacking(ARM指令集编码格式解读)

ARM指令集编码格式解读

说明:

1、本文参考的书籍《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》中的Chapter A5: ARM Instruction Set Encoding.

2、本人对本文最终效果中的表格缩进没有对齐的现象表示歉意,因为目前本人解决不了   :)

3、本文的解读流程如下:

1、Format of the CPSR and SPSRs:因为CPSR中有影响指令执行的条件标志;

2、The major subdivisions of the ARM instruction set:这里细分ARM指令为7个种类;

3、The condition code field:对指令中的条件位域进行了解读;

4、Data-processing and miscellaneous instructions:针对the major subdivisions of the ARM instruction set中的7中ARM指令种类,对第一种“Data-processing and miscellaneous instructions”进行了解读;

5、Data-processing (register):针对Data-processing and miscellaneous instructions中的14种指令,对第一种“Data-processing (register)”进行了解读;

6、AND (register):针对Data-processing (register)中的22种指令,对第一种“AND (register)”进行了解读;

4、如您在3中看到的,本文仅仅是对32位的ARM指令的一种简单的理解性解读;

********************************目录******************************

一、为什么要解读ARM指令编码?

二、Format of the CPSR and SPSRs(CPSR and SPSRs格式):

三、The major subdivisions of the ARM instruction set(细分ARM指令集):

四、The condition code field(条件位域):

五、Data-processing and miscellaneous instructions(数据处理和杂项指令):

六、Data-processing (register)(数据处理(寄存器)):

七、AND (register):

****************************************************************

一、为什么要解读ARM指令编码?

以前每次当我看到或者听说汇编指令的时候,我都会觉得很好奇:

1、汇编指令入是如何组成的?

2、mov r2, 0x33: 这条ARM汇编指令是如何保存指令中的mov,r2,0x33各部分?

3、bic r1, r1, r2:这条ARM汇编指令是如何保存指令中的bic,r1,r1,r2各部分?

4、一条ARM汇编指令那么长,怎么可能32位就能包含?而且还包含了判断条件在里面;

虽然很多时候好奇,但是毕竟个人知识水平有限,并没有能够理解这里面的原理,也许今天解读完这章英文文档能够从中得知玄机.

二、Format of the CPSR and SPSRs(CPSR and SPSRs格式):

1、以下是CPSR and SPSRs的位域格式图:

ARM_Instruction_Set_Encoding_hacking(ARM指令集编码格式解读)

2、由于本文仅仅需要用Condition flags,所以不对其他位域进行解读:

Condition flags, bits[31:28]

Set on the result of instruction execution(设置的指令执行结果). The flags are:

1、N, bit[31] Negative condition flag            (负数标志)

2、Z, bit[30] Zero condition flag                  (0标志)

3、C, bit[29] Carry condition flag                 (进位标志)

4、V, bit[28] Overflow condition flag            (溢出标志)

The condition flags can be read or written in any mode.( 在任何模式下可以对条件标志读取或写入)

三、The major subdivisions of the ARM instruction set(细分ARM指令集):

1、ARM 指令流是一连串的字对齐的四字节指令流。每个 ARM 指令是一个单一的 32 位字(4字节)。ARM 指令细分编码格式如下图:

ARM_Instruction_Set_Encoding_hacking(ARM指令集编码格式解读)

2、以下是对细分ARM指令集的位域分布,以及细分出的指令种类说明:

cond

op1

op

Instruction classes(指令分类)

not 1111

00x

-

数据处理和杂项指令(本文只对这部分进行分析,其他部分类似)

010

-

加载/存储字或无符号的字节

011

0

加载/存储字或无符号的字节

1

媒体指令

10x

-

分支、带链接分支、块数据传输

11x

-

协处理器指令或软中断,包括浮点指令和先进SIMD数据传输

1111

-

-

如果cond字段为0b1111,只能无条件地执行指令

表格中的op1、op字段中的x、-表示可以是0,也可以是1

3、本文后续部分只对Instruction classes(指令分类)中的“数据处理和杂项指令”部分进行解读,其他部分类似,没必要全部解读,毕竟不是为了翻译。

四、The condition code field(条件位域):

1、每一条可条件执行的条件指令都有4位的条件位域(记住,只有四位) ,条件位域的值在0b0000-0b1110之间,如下是条件位域在32位ARM指令中的位置:

ARM_Instruction_Set_Encoding_hacking(ARM指令集编码格式解读)2、以下是对条件位域的值的列表,可条件执行指令执行受CPSR的condition flags中对应的位影响:

cond

助记符

意义(整数)

意义(浮点数)

条件标志

0000

EQ

Equal(相等)

Equal(相等)

Z == 1

0001

NE

Not equal(不相等)

Not equal, or unordered
(不相等,无序)

Z == 0

0010

CS

Carry set(进位)

Greater than, equal, or unordered
(大于,等于,无序)

C == 1

0011

CC

Carry clear(借位)

Less than(小于)

C == 0

0100

MI

Minus, negative(负数)

Less than(小于)

N == 1

0101

PL

Plus, positive or zero
(正数,或者0)

Greater than, equal, or unordered
(大于,等于,无序)

N == 0

0110

VS

Overflow(溢出)

Unordered(无序)

V == 1

0111

VC

No overflow(没有溢出)

Not unordered(非无序)

V == 0

1000

HI

Unsigned higher

(无符号大于)

Greater than, or unordered
(大于,无序)

C == 1 and Z == 0

1001

LS

Unsigned lower or same
(无符号小于,等于)

Less than or equal
(小于,等于)

C == 0 or Z == 1

1010

GE

Signed greater than or equal
(有符号大于,等于)

Greater than or equal
(大于,等于)

N == V

1011

LT

Signed less than
(有符号小于)

Less than, or unordered
(小于,无序)

N != V

1100

GT

Signed greater than
(有符号大于)

Greater than(大于)

Z == 0 and N == V

1101

LE

Signed less than or equal
(有符号小于等于)

Less than, equal, or unordered
(小于,等于,无序)

Z == 1 or N != V

1110

None (AL)

Always (unconditional)

Always (unconditional)

Any

1、Unordered
means at least one NaN operand.

无序的意思是至少有一个非数字操作数

2、HS
(unsigned higher or same) is a synonym for CS.

HS(无符号大于或相同)是同义词CS.

3、LO
(unsigned lower) is a synonym for CC.

LO(无符号更低)是同义词CC.

4、AL
is an optional mnemonic extension for always, except in IT instructions.

AL是always的助记符,IT指令除外.

3、汇编语言中溢出和进位的不同:

1、对于非符号数来说,不存在溢出的问题,它的进位就相当于符号数中的溢出;

2、而对于符号数来说,不存在进位的问题:

1、两个正数相加(或一个正数减一个负数)得到负数;

2、两个负数相加得到正数,就是溢出了;

3、一个正数和一个负数相加不可能溢出。

五、Data-processing and miscellaneous instructions(数据处理和杂项指令):

1、数据处理和杂项指令的位域分布图如下:

ARM_Instruction_Set_Encoding_hacking(ARM指令集编码格式解读)2、这是对数据处理和杂项指令的位域说明表:

op

op1

op2

Instruction or instruction class

Variant

0

not
10xx0

xxx0

Data-processing (register)
数据处理(寄存器)(本文只对这部分进行解读)

-

0xx1

Data-processing (register-shifted
register)
数据处理(寄存器移寄存器)

-

10xx0

0xxx

Miscellaneous instructions
杂项指令

-

1xx0

Halfword multiply and multiply
accumulate
半字乘法和乘法累加

-

0xxxx

1001

Multiply and multiply accumulate
乘法和乘法累加

-

1xxxx

1001

Synchronization primitives
同步基元

-

not
0xx1x

1011

Extra load/store instructions
扩展的加载/存储指令

-

11x1

Extra load/store instructions
扩展的加载/存储指令

-

0xx1x

1011

Extra load/store instructions,
unprivileged
扩展的加载/存储指令,无特权

-

11x1

Extra load/store instructions
扩展的加载/存储指令

-

1

not
10xx0

-

Data-processing (immediate)
数据处理(立即数)

-

10000

-

16-bit immediate load, MOV (immediate)
16位立即数加载,MOV(立即数)

v6T2

10100

-

High halfword 16-bit immediate load,
MOVT
高半字16位立即数加载,MOVT

v6T2

10x10

-

MSR (immediate), and hints
MSR(立即数),提示

-

3、本文后续部分只对Instruction or instruction class中的“Data-processing (register)(数据处理(寄存器))”部分进行解读,其他部分类似,没必要全部解读,毕竟不是为了翻译。

六、Data-processing (register)(数据处理(寄存器)):

1、数据处理(寄存器)位域分布如下图所示:

ARM_Instruction_Set_Encoding_hacking(ARM指令集编码格式解读)

2、这对数据处理(寄存器)位域的说明表,本人就不对内容进行翻译了,如果有困难,可以使用bing,google翻译,不建议使用其他的翻译软件,不解释原因  :)

op

op2

imm5

Instruction

See

0000x

-

-

Bitwise AND

(本文只对该指令进行解读)

AND (register) on page A8-326

0001x

-

-

Bitwise Exclusive OR

EOR (register) on page A8-384

0010x

-

-

Subtract

SUB (register) on page A8-712

0011x

-

-

Reverse Subtract

RSB (register) on page A8-576

0100x

-

-

Add

ADD (register, ARM) on page A8-312

0101x

-

-

Add with Carry

ADC (register) on page A8-302

0110x

-

-

Subtract with Carry

SBC (register) on page A8-594

0111x

-

-

Reverse Subtract with Carry

RSC (register) on page A8-582

10xx0

-

-

See Data-processing and miscellaneous instructions on page A5-196

10001

-

-

Test

TST (register) on page A8-746

10011

-

-

Test Equivalence

TEQ (register) on page A8-740

10101

-

-

Compare

CMP (register) on page A8-372

10111

-

-

Compare Negative

CMN (register) on page A8-366

1100x

-

-

Bitwise OR

ORR (register) on page A8-518

1101x

00

00000

Move

MOV (register, ARM) on page A8-488

not 00000

Logical Shift Left

LSL (immediate) on page A8-468

01

-

Logical Shift Right

LSR (immediate) on page A8-472

10

-

Arithmetic Shift Right

ASR (immediate) on page A8-330

11

00000

Rotate Right with Extend

RRX on page A8-572

not 00000

Rotate Right

ROR (immediate) on page A8-568

1110x

-

-

Bitwise Bit Clear

BIC (register) on page A8-342

1111x

-

-

Bitwise NOT

MVN (register) on page A8-506

3、本文后续部分只对Instruction中的“Bitwise AND”部分进行解读,其他部分类似,没必要全部解读,毕竟不是为了翻译。

七、AND (register):

1、本文只对AND (register)中的Encoding A1 ARMv4*, ARMv5T*, ARMv6*, ARMv7指令进行解读,以下是位域分布图:

ARM_Instruction_Set_Encoding_hacking(ARM指令集编码格式解读)

2、指令编码位域意义:

1、cond:  是条件码

2、S:       代表该指令是否会影响CPSR的状态标志

3、Rn:     是保存第一个操作数的寄存器

4、Rm:    保存第二个操作数的寄存器

5、Rd:     保存运行结果的寄存器

6、imm5: 保存Rm中的数据要被移多少位

7、type:   移位的类型,向左移还是向右移,以及是否是循环移位等等

3、汇编语法:

1、AND{S}{<c>}{<q>} {<Rd>,} <Rn>, <Rm> {, <shift>}

2、解析:

1、S:        如果有S标志,指令运行结果会更新CPSR状态标志。否则,该CPSR状态标志不会更新;

2、<c>, <q>:  See Standard assembler syntax fields on page A8-287.

3、<Rd>:     目的寄存器;

4、<Rn> :    第一个操作数寄存器;

5、<Rm>:    第二个操作数寄存器;

6、<shift>:   这个数字会对<Rm>寄存器中的值进行移位;

3、AND指令Demo:

1、ADD R0,R2,R3,LSL#1 ; R0 = R2 + (R3 << 1)

2、解析:

1、S:有S标志,说明运算结果会影响CPSR寄存器的状态标志位;

2、<c>:没有条件,说明没有是无条件执行;

3、<Rd>:目的寄存器为R0;

4、<Rn>:第一个操作数寄存器为R2;

5、<Rm>:第二个操作数寄存器为R3;

6、<shift>:对R3进行逻辑左移1位;

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