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；

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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)：

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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：

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：

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:

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：

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：

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：

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;