ARM指令集編碼格式解讀
說明：
1、本文參考的書籍《ARM Architecture Reference Manual ARMv7-A and ARMv7-R edition》中的Chapter A5: ARM Instruction Set Encoding.
2、本人對本文最終效果中的表格縮進沒有對齊的現象表示歉意，因為目前本人解決不了 :)
3、本文的解讀流程如下：
1、Format of the CPSR and SPSRs：因為CPSR中有影響指令執行的條件標志；
2、The major subdivisions of the ARM instruction set：這里細分ARM指令為7個種類；
3、The condition code field：對指令中的條件位域進行了解讀；
4、Data-processing and miscellaneous instructions：針對the major subdivisions of the ARM instruction set中的7中ARM指令種類，對第一種“Data-processing and miscellaneous instructions”進行了解讀；
5、Data-processing (register)：針對Data-processing and miscellaneous instructions中的14種指令，對第一種“Data-processing (register)”進行了解讀；
6、AND (register)：針對Data-processing (register)中的22種指令，對第一種“AND (register)”進行了解讀；
4、如您在3中看到的，本文僅僅是對32位的ARM指令的一種簡單的理解性解讀；
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一、為什么要解讀ARM指令編碼？
二、Format of the CPSR and SPSRs（CPSR and SPSRs格式）：
三、The major subdivisions of the ARM instruction set（細分ARM指令集）：
四、The condition code field（條件位域）：
五、Data-processing and miscellaneous instructions（數據處理和雜項指令）：
六、Data-processing (register)(數據處理(寄存器))：
七、AND (register)：
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一、為什么要解讀ARM指令編碼？
以前每次當我看到或者聽說匯編指令的時候,我都會覺得很好奇：
1、匯編指令入是如何組成的？
2、mov r2, 0x33： 這條ARM匯編指令是如何保存指令中的mov，r2，0x33各部分？
3、bic r1, r1, r2：這條ARM匯編指令是如何保存指令中的bic，r1，r1，r2各部分？
4、一條ARM匯編指令那么長,怎么可能32位就能包含？而且還包含了判斷條件在里面；
雖然很多時候好奇,但是畢竟個人知識水平有限,並沒有能夠理解這里面的原理,也許今天解讀完這章英文文檔能夠從中得知玄機.
二、Format of the CPSR and SPSRs（CPSR and SPSRs格式）：
1、以下是CPSR and SPSRs的位域格式圖：
2、由於本文僅僅需要用Condition flags，所以不對其他位域進行解讀：
Condition flags, bits[31:28]
Set on the result of instruction execution(設置的指令執行結果). The flags are:
1、N, bit[31] Negative condition flag (負數標志)
2、Z, bit[30] Zero condition flag (0標志)
3、C, bit[29] Carry condition flag (進位標志)
4、V, bit[28] Overflow condition flag (溢出標志)
The condition flags can be read or written in any mode.( 在任何模式下可以對條件標志讀取或寫入)
三、The major subdivisions of the ARM instruction set（細分ARM指令集）：
1、ARM 指令流是一連串的字對齊的四字節指令流。每個 ARM 指令是一個單一的 32 位字(4字節)。ARM 指令細分編碼格式如下圖：
2、以下是對細分ARM指令集的位域分布，以及細分出的指令種類說明：
| cond |
op1 |
op |
Instruction classes(指令分類) |
| not 1111 |
00x |
- |
數據處理和雜項指令（本文只對這部分進行分析，其他部分類似） |
| 010 |
- |
加載/存儲字或無符號的字節 |
|
| 011 |
0 |
加載/存儲字或無符號的字節 |
|
| 1 |
媒體指令 |
||
| 10x |
- |
分支、帶鏈接分支、塊數據傳輸 |
|
| 11x |
- |
協處理器指令或軟中斷，包括浮點指令和先進SIMD數據傳輸 |
|
| 1111 |
- |
- |
如果cond字段為0b1111，只能無條件地執行指令 |
| 表格中的op1、op字段中的x、-表示可以是0，也可以是1 |
|||
3、本文后續部分只對Instruction classes(指令分類)中的“數據處理和雜項指令”部分進行解讀，其他部分類似，沒必要全部解讀，畢竟不是為了翻譯。
四、The condition code field（條件位域）：
1、每一條可條件執行的條件指令都有4位的條件位域(記住,只有四位) ，條件位域的值在0b0000-0b1110之間，如下是條件位域在32位ARM指令中的位置:
2、以下是對條件位域的值的列表，可條件執行指令執行受CPSR的condition flags中對應的位影響：
| cond |
助記符 |
意義(整數) |
意義(浮點數) |
條件標志 |
| 0000 |
EQ |
Equal(相等) |
Equal(相等) |
Z == 1 |
| 0001 |
NE |
Not equal(不相等) |
Not equal, or unordered |
Z == 0 |
| 0010 |
CS |
Carry set(進位) |
Greater than, equal, or unordered |
C == 1 |
| 0011 |
CC |
Carry clear(借位) |
Less than(小於) |
C == 0 |
| 0100 |
MI |
Minus, negative(負數) |
Less than(小於) |
N == 1 |
| 0101 |
PL |
Plus, positive or zero |
Greater than, equal, or unordered |
N == 0 |
| 0110 |
VS |
Overflow(溢出) |
Unordered(無序) |
V == 1 |
| 0111 |
VC |
No overflow(沒有溢出) |
Not unordered(非無序) |
V == 0 |
| 1000 |
HI |
Unsigned higher (無符號大於) |
Greater than, or unordered |
C == 1 and Z == 0 |
| 1001 |
LS |
Unsigned lower or same |
Less than or equal |
C == 0 or Z == 1 |
| 1010 |
GE |
Signed greater than or equal |
Greater than or equal |
N == V |
| 1011 |
LT |
Signed less than |
Less than, or unordered |
N != V |
| 1100 |
GT |
Signed greater than |
Greater than(大於) |
Z == 0 and N == V |
| 1101 |
LE |
Signed less than or equal |
Less than, equal, or unordered |
Z == 1 or N != V |
| 1110 |
None (AL) |
Always (unconditional) |
Always (unconditional) |
Any |
| 1、Unordered means at least one NaN operand. 無序的意思是至少有一個非數字操作數 2、HS (unsigned higher or same) is a synonym for CS. HS(無符號大於或相同)是同義詞CS. 3、LO (unsigned lower) is a synonym for CC. LO(無符號更低)是同義詞CC. 4、AL is an optional mnemonic extension for always, except in IT instructions. AL是always的助記符,IT指令除外. |
||||
3、匯編語言中溢出和進位的不同：
1、對於非符號數來說，不存在溢出的問題，它的進位就相當於符號數中的溢出；
2、而對於符號數來說，不存在進位的問題：
1、兩個正數相加(或一個正數減一個負數)得到負數；
2、兩個負數相加得到正數，就是溢出了；
3、一個正數和一個負數相加不可能溢出。
五、Data-processing and miscellaneous instructions（數據處理和雜項指令）：
1、數據處理和雜項指令的位域分布圖如下：
2、這是對數據處理和雜項指令的位域說明表：
| op |
op1 |
op2 |
Instruction or instruction class |
Variant |
| 0 |
not |
xxx0 |
Data-processing (register) |
- |
| 0xx1 |
Data-processing (register-shifted register) |
- |
||
| 10xx0 |
0xxx |
Miscellaneous instructions |
- |
|
| 1xx0 |
Halfword multiply and multiply accumulate |
- |
||
| 0xxxx |
1001 |
Multiply and multiply accumulate |
- |
|
| 1xxxx |
1001 |
Synchronization primitives |
- |
|
| not |
1011 |
Extra load/store instructions |
- |
|
| 11x1 |
Extra load/store instructions |
- |
||
| 0xx1x |
1011 |
Extra load/store instructions, unprivileged |
- |
|
| 11x1 |
Extra load/store instructions |
- |
||
| 1 |
not |
- |
Data-processing (immediate) |
- |
| 10000 |
- |
16-bit immediate load, MOV (immediate) |
v6T2 |
|
| 10100 |
- |
High halfword 16-bit immediate load, MOVT |
v6T2 |
|
| 10x10 |
- |
MSR (immediate), and hints |
- |
3、本文后續部分只對Instruction or instruction class中的“Data-processing (register)(數據處理(寄存器))”部分進行解讀，其他部分類似，沒必要全部解讀，畢竟不是為了翻譯。
六、Data-processing (register)(數據處理(寄存器))：
1、數據處理(寄存器)位域分布如下圖所示：
2、這對數據處理(寄存器)位域的說明表，本人就不對內容進行翻譯了，如果有困難，可以使用bing，google翻譯，不建議使用其他的翻譯軟件，不解釋原因 :）
| op |
op2 |
imm5 |
Instruction |
See |
| 0000x |
- |
- |
Bitwise AND (本文只對該指令進行解讀) |
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、本文后續部分只對Instruction中的“Bitwise AND”部分進行解讀，其他部分類似，沒必要全部解讀，畢竟不是為了翻譯。
七、AND (register)：
1、本文只對AND (register)中的Encoding A1 ARMv4*, ARMv5T*, ARMv6*, ARMv7指令進行解讀，以下是位域分布圖：
2、指令編碼位域意義：
1、cond： 是條件碼
2、S： 代表該指令是否會影響CPSR的狀態標志
3、Rn： 是保存第一個操作數的寄存器
4、Rm： 保存第二個操作數的寄存器
5、Rd： 保存運行結果的寄存器
6、imm5： 保存Rm中的數據要被移多少位
7、type： 移位的類型，向左移還是向右移，以及是否是循環移位等等
3、匯編語法：
1、AND{S}{<c>}{<q>} {<Rd>,} <Rn>, <Rm> {, <shift>}
2、解析:
1、S: 如果有S標志,指令運行結果會更新CPSR狀態標志。否則，該CPSR狀態標志不會更新;
2、<c>, <q>: See Standard assembler syntax fields on page A8-287.
3、<Rd>: 目的寄存器;
4、<Rn> : 第一個操作數寄存器;
5、<Rm>: 第二個操作數寄存器;
6、<shift>: 這個數字會對<Rm>寄存器中的值進行移位;
3、AND指令Demo：
1、ADD R0，R2，R3，LSL#1 ； R0 = R2 + (R3 << 1)
2、解析：
1、S：有S標志，說明運算結果會影響CPSR寄存器的狀態標志位；
2、<c>：沒有條件，說明沒有是無條件執行；
3、<Rd>：目的寄存器為R0；
4、<Rn>：第一個操作數寄存器為R2；
5、<Rm>：第二個操作數寄存器為R3;
6、<shift>：對R3進行邏輯左移1位;