02 | 指令集
2、指令集#
指令的基本格式如下：
<opcode>{<cond>}{S} <Rd>, <Rn> {, <shift_op2>}
其中，尖括号是必须的，花括号可选。
| 标识符 | 含义 |
|---|---|
| opcode | 操作码。也就是指令编码助记符，说明指令需要执行的操作类型。 |
| cond | 条件码域。指令允许执行的条件编码 |
| S | 条件码设置域。这是一个可选项，当在指令中设置该域时，指令执行的结果将会印象程序状态寄存器 CPSR 中相应的标志 |
| Rd/Xt | 目标寄存器。ARM64 指令可以选择 X0 - X30 或 W0 - W30 |
| Rn/Xn | 第一个操作数的寄存器，和 Rd 一样，不同指令有不同要求 |
| shift_op2 | 第二个操作数，可以是立即数或寄存器位移方式 |
2.1 常用算术指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| ADD | ADD X0, X1, X2 | X0 = X1 + X2 |
| SUB | SUB X0, X1, X2 | X0 = X1 - X2 |
| MUL | MUL X0, X0, X8 | X0 = X0 * X8 |
| SDIV | SDIV X0, X0, X1 | X0 = X0 / X1（有符号除法运算） |
| UDIV | SDIV X0, X0, X1 | X0 = X0 / X1（无符号除法运算） |
| CMP | CMP X28, X0 | X28与 X0 相减，不存储结果，只更新 CPSR 中的条件标志位 |
| CMN | CMP X28, X0 | X28与 X0 相加，根据结果更新， CPSR 中的条件标志位 |
| ADDS/SUBS | ADDS X0, X1, X2 | 带 S 的指令运算结果会影响 CPSR 中的条件标志位，后面出现 |
| 的其他指令也同理。 |
2.2 常用跳转指令#
2.2.1 条件跳转指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| B.cond | B.cond label | 若 cond 为真，则跳转到 label |
| CBNZ | CBNZ Xn，label | 若 Xn != 0，则跳转到 label |
| CBZ | CBZ Xn，label | 若 Xn == 0，则跳转到 label |
| TBNZ | TBNZ Xn, #uimm6, label | 若 Xn[unimm6] != 0，则跳转到 label。 |
| 简单的说如果xn寄存器的第uimm6位不等于0，则跳转到label | ||
| TBZ | TBZ Xn, #uimm6, label | 若 Xn[unimm6] == 0，则跳转到 label。 |
| 简单的说如果xn寄存器的第uimm6位等于0，则跳转到label |
2.2.2 无条件跳转指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| B | B label | 无条件跳转到 label |
| BL | BL label | 无条件跳转到 label，返回地址保存到 X30（LR）寄存器 |
| BLR | BLR Xn | 无条件跳转到 Xn 寄存器的地址，返回地址保存到 X30（LR）寄存器 |
| BR | BR Xn | 无条件跳转到 Xn 寄存器的地址 |
| RET | RET {Xn} | 子程序返回指令，返回地址默认保存到 X30（LR）寄存器 |
| 将 LR（X30）寄存器的值复制给 PC 寄存器 |
2.2.3 常用逻辑指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| AND | ADD X0, X1, X2 | X0 = X1 & X2 |
| EOR | EOR X0, X1, X2 | X0 = X1 ^ X2 |
| ORR | ORR X0, X1, X2 | X0 = X1 |
| TST | TST W0, #0X40 | 测试 W0[3]是否为 1 |
2.2.4 常用数据传输指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| MOV | MOV X19, X1 | X19 = X1 |
| MOVZ | MOVZ Xn, #uimm16{, LSL#pos} | Xn = LSL(uimm16, pos) |
| MOVN | MOVN Xn, #uimm16{, LSL#pos} | Xn = NOT(LSL(uimm16, pos)) |
| MOVK | MOVK Xn, #uimm16{, LSL#pos} | Xn < pos+15:pos>= uimm16 |
2.2.5 常用地址偏移指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| ADR | ADR Xn， label | Xn = PC + label |
| ADRP | ADRP Xn, label | base = PC[11:0]=ZERO(12); Xd = base + label; |
2.2.6 常用移位运算指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| ASR | ASR Xd， Xn， #uimm | 算术右移，结果带符号 |
| LSL | LSL Xd， Xn， #uimm | 逻辑左移，移位后寄存器空出的低位补 0 |
| LSR | LSR Xd， Xn， #uimm | 逻辑右移，移位后寄存器空出的低位补 0 |
| ROR | ROR Xd， Xn， #uimm | 循环右移，从右端移除的位将被插入左端空出的位，可理解为”首位相连“ |
2.2.7 常用加载/存储指令#
| 指令 | 示例 | 含义 |
|---|---|---|
| LDR | LDR Xn/Wn, addr | 从内存地址 addre 读取 8/4个字节内容到 Xn/Wn中 |
| STR | STR Xn/Wn, addr | 将 Xn/Wn 写入内存地址 addr中 |
| LDUR | LDUR Xn/Wn, [basem #simm9] | 从 base + #simm9 地址中读取数据到 Xn/Wn 中，U 表示不需要按照字节对齐，取多少就是多少 |
| STUR | STUR Xn/Wn, [basem #simm9] | 将 Xn/Wn 写入 base + #simm9 的内存地址 |
| STP | STP Xn1，Xn2，addr | 将 Xn1 和 Xn2 写入内存地址 addr 中。P 表示一对，即同事操作两个寄存器。 |
| LDP | LDP Xn1，Xn2，addr | 从内存地址 addr 中读取数据到 Xn1 和 Xn2 中。 |
加载/存储指令都是成对出现，有时也会遇到这些指令的一些扩展，比如 LDRB、LDRSB 等，他们的含义如下
| 指令 | 含义 |
|---|---|
| B | 无符号 8 bit |
| SB | 有符号 8 bit |
| H | 无符号 16 bit |
| SH | 有符号 16 bit |
| W | 无符号 32 bit |
| SW | 有符号 32 bit |
ARM指令的一个重要特点就是可以条件执行，每条 ARM 指令的条件码域包含 4 位条件吗，共 16 种。几乎所有的指令均根据 CPSR 中的条件码的状态和指令条件码域的设置有条件的执行。当指令执行条件满足时，指令被执行，否则被忽略。指令条件码机器助记符后缀如下。
| 条件码 | 助记符后缀 | 标志 | 含义 |
|---|---|---|---|
| 0000 | EQ | Z 置位 | 相等 |
| 0001 | NE | z 置位 | 不相等 |
| 0010 | CS | C 置位 | 无符号数大于或者等于 |
| 0011 | CC | C 置位 | 无符号小于 |
| 0100 | MI | N 置位 | 负数 |
| 0101 | PL | N 清零 | 证书或零 |
| 0110 | VS | V 置位 | 溢出 |
| 0111 | VC | V 清零 | 未溢出 |
| 1000 | HI | C 置位、Z 清零 | 无符号大于 |
| 1001 | LS | C 清零、Z 置位 | 无符号小于或等于 |
| 1010 | GE | N 等于 V | 带符号大于或等于 |
| 1011 | LT | N 不等于 V | 带符号小于 |
| 1100 | GT | Z 清零且 N == V | 带符号大于 |
| 1101 | LE | Z 置位或 N != V | 带符号小于或等于 |
| 1110 | AL | 忽略 | 无条件执行 |
2.3 ADR、ADRP常用地址偏移指令额外说明#
ADRP + ADD表示取值，常用于取常量和全局变量的值，但是这里取的是地址值。 ADRP + ADD表示取值，常用于取常量和全局变量的值，但是这里取的是地址值。
2.3.1 ADR#
小范围的地址读取指令。ADR 指令将基于 PC 的相对偏移的地址读取到寄存器中。 格式：adr Xn , exper. 编译源程序时，汇编器首先计算当前 PC 值(当前指令位置)到 exper的距离，然后用一条 ADD 或者 SUB 指令替换这条伪指令。 例如： ADD Xn， PC, #offset_to_exper。 注意：标号 exper 与指令必须在同一个代码段中。 比如：adr x0，_start；将指定地址赋值到 x0 中。 ...... _start: b _start x0 的值为标号_start 与此指令的距离差+PC 值 简单的来说就是将一个立即值 与 PC 值相加，并将结果写入到目标寄存器。
2.3.2 ADRP#
这是一条中等范围的地址读取伪指令，它将基于 PC 的相对偏移的地址值读取到目标寄存器中。 格式如下：ADRP Xn, exper 编译源程序时，汇编器会用两条合适的指令替换这条伪指令。比如： ADRP Xn，PC，offset1 ADD Xn，Xn1，offset2
与 ADR 相比，它能读取更大返回的地址。注意标号 exper 与指令必须在同一代码段。 adrp 用来定位数据段中的数据使用，因为 aslr 会导致代码及数据的地址随机化，用 adrp来根据 pc 值做辅助定位。 ADRP 指令是以页为单位的大范围的地址读取指令，P为page, pageoff为page offset，这里填写的地址是最终地址的页基址，汇编会自动把opcode转换成相对于pc页基址的地址。 符号扩展一个21位的offset（immhi+immlo）。向左移动12位，将PC的值的低12位清零，然后把这两者相加，结果写入到Xd寄存器，用来得到一块含有label的4KB对齐内存区域的base地址（也就是说label所在的地址，一定落在这个4KB的内存区域里，指令助记符里Page也就是这个意思）， 可用来寻址 +/- 4GB的范围（2^33次幂）。
2.3.3 计算规则#
adrp x10, x x10, x10, #0x230
- 将 x 的值，左移 12 位
- 例如 x = 1，x << 12 = 1 0000 0000 0000 == 0x0001000
- 获取当前 PC 计数器的值，将其低 12 位清零
- 例如 pc = 0x000000010018e154，低 12 位清零后 值为0x000000010018e000
- 将 x 左移后的值 + PC 计数器低 12 位清零的值 等于 x10 的值。
- x10 = 0x0001000 + 0x000000010018e000
- x10 = 0x000000010018f000
2.3.4 示例#
int counter = 1;int getCount() { return counter;}汇编的完整结果如下：
.section __TEXT,__text,regular,pure_instructions .globl _getCount ; -- Begin function getCount .p2align 2_getCount: ; @getCount adrp x8, _counter@PAGE add x8, x8, _counter@PAGEOFF ldr w0, [x8] ret ; -- End function .section __DATA,__data .globl _counter ; @counter .p2align 2_counter: .long 1 ; 0x1- adrp x8, _counter@PAGE：使用 adrp 计算出_counter label 基于 PC 的偏移量的高 21 位，并存储到 x8 寄存器中。@PAGE 代表页偏移的高 21 位。
- add x8, x8, _counter@PAGEOFF：使用 add 命令将余下的 12 位补齐，通过@PAGEOFF 代表页偏低的 12 位。
- ldr w0, [x8] ：此时 x8 中即为 counter 变量的实际地址了，通过 ldr 命令将寄存器的值读取到 w0，返回番薯返回值。
示例 2：
ADRP X8, #_g@PAGEADD X8, X8, #_g@PAGEOFF- 得到一个大小为4KB的页的基址，而且在该页中有全局变量g的地址；ADRP就是讲该页的基址存到寄存器X8中；
- ADD指令会算出g的地址，X8+#_g@PAGEOFF，#_g@PAGEOFF是一个偏移量；这样就得到了g的地址X8;
2.3.5 @PAGE和@PAGEOFF 补充#
adrp @page 找到目标页地址 add @pageoff加上页内偏移