ISA: ARM Instructions Set

Abstract

本文章作为一个 ARM 指令的速查表使用。

MNEMONIC{S}{condition} {Rd}, Operand1, Operand2

上面就是 ARM 汇编指令的一个通用的格式说明，下面对每一个字段进行具体的说明：

• MNEMONIC: 指令的助记符，如 ADD
• S: 可选的扩展位，如果指令后带了这个，将根据计算结果更新 CPSR 寄存器中相应的 FLAG
• condition: 执行条件，如果没有指定，则默认位 AL（无条件执行）
• Operand1: 第一个操作数，可以是寄存器或者立即数
• Operand2: 第二个操作数，可变的，可以是一个寄存器或者立即数，甚至带移位操作的寄存器

对于 Operand2 的解释和研究举例：

#123		@ - 立即数
Rx			@ - 寄存器，如 R1
Rx, ASR n	 @ - 对寄存器中的值进行算术右移 n 位后的值
Rx RRX		@ - 对寄存器中的值进行带扩展的循环右移 1 位后的值

Branch

Instruction	Example	Remark
SUB		不进位的减法

sub

减法指令，并且是不进位的减法。

b

（branch）跳转到某地址（无返回）, 不会改变 lr (x30) 寄存器的值；一般是本方法内的跳转，如 while 循环，if else 等 ，如：

b LBB0_1      ; 直接跳转到标签 ‘LLB0_1’ 处开始执行

b 指令的一些变体¹

• bl: 跳转到标号出执行

• b.le ：判断上面cmp的值是小于等于 执行标号，否则直接往下走

• b.ge 大于等于 执行地址 否则往下

• b.lt 判断上面camp的值是 小于 执行后面的地址中的方法 否则直接往下走

• b.gt 大于 执行地址 否则往下

• b.eq 等于 执行地址 否则往下

• b.hi 比较结果是无符号大于，执行地址中的方法，否则不跳转

• b.hs 指令是判断是否无符号小于

• b.ls 指令是判断是否无符号大于

• b.lo 指令是判断是否无符号大于等于

我们总结了一些常见的跳转指令的集合，如下所示：

[
 'b.pl', 'b.ge', 'b.ls', 'b.vs', 'tbnz', 'b.gt', 
 'b', 'cbnz', 'svc', 'b.mi', 'b.lo', 'tbz', 
 'b.ne', 'b.hi', 'br', 'b.le', 'b.eq', 'ret', 
 'bl', 'b.lt', 'blr', 'b.hs', 'cbz'
]

tst

把一个寄存器的内容和另一个寄存器的内容进行按位与操作，并根据结果更新 CPSR 中条件标志位的值，当前运算结果为 1, 则 Z=0, 反之 Z=1.

fcvtz

浮点数转换为定点数。

cbz

和 0 比较（Compare），如果结果为零（Zero）就转移（只能跳到后面的指令）;

CBZ Rn, label

Rn: is the register holding the operand.

label: is the branch destination.

同样的，还有不为 0 的时候跳转：

CBNZ Rn, label

tbnz

TBNZ X1, #3, label

上述汇编的含义为，如果 x1 寄存器的第 3 位不为 0, 则跳转到 label.

还有用法如下：

tbnz w16, #0, #+0xc (addr 0x1baecc)

按照上述的例子可以推断，判断 w16 的第 0 位是否为 0, 如果不为 0, 则跳转到上述地址。

sxtw

sxtw 指令的使用方法如下：

sxtw x7, w6

其含义为将 w6 进行符号位扩展，并传给 x7; w6 为 x7 的低 32 位.

这个博客上面展示了一个 sxtw 导致的惨案：一个include引起的惨案

内存读写

ARM 使用加载存储模型进行内存访问，这意味着只有加载/存储（LDR 和 STR）指令才能访问内存。在 x86 上，大多数指令都可以直接对内存中的数据进行操作，而在ARM上，必须先将内存中的数据从内存移到寄存器中，然后再进行操作。这意味着递增ARM上特定内存地址上的 32 位值将需要三种类型的指令（加载，递增和存储），以便首先将特定地址上的值加载到寄存器中，在寄存器中递增值，以及将其从寄存器存储回存储器²。

ldr

加载一个寄存器：

• 32 位常量
• 地址

用于从存储器中将一个 32 位的字数据传送到目的寄存器中。

• 将寄存器 x1 的值作为地址，取该内存地址的值放入寄存器 x0 中：x0 <- [x1]

  ldr x0, [x1]

• 将栈内存 [sp + 0x8] 处的值读取到 w8 寄存器中

  ldr w8, [sp, #0x8]

• 将寄存器 x1 的值加上 4 作为内存地址, 取该内存地址的值放入寄存器 x0 中, 然后将寄存器 x1 的值加上 4 放入寄存器 x1 中: x0 <- [x1 + 4]; x1 <- x1 + 4

  ldr x0, [x1, #4]!

• 将寄存器 x1 的值作为内存地址，取内该存地址的值放入寄存器 x0 中, 再将寄存器 x1 的值加上 4 放入寄存器 x1 中

  ldr x0, [x1], #4

• 将寄存器 x1 和寄存器 x2 的值相加作为地址，取该内存地址的值放入寄存器 x0 中

  ldr x0, [x1, x2]

ldur

和 ldr 一样，只不过，ldur 后面的立即数是负数。

ldur w16, [x5, #-8]

ldp

举例来说：

ldp	x20, x19, [sp, #0x150] 

简单可以理解为将栈弹出到 x20, x19 中。

ldrb

和下文中的 strb 的含义一样，将内存中的值读入寄存器中，并且只读取一个字节，也就是说把取到的数据放在目的寄存器的低 8 位，然后将高 24 位填充位 0。

ldrb w2, [x5, x2]

读取 x5 + x2 内存的值并且存储其低 8 位到 w2 中。

关于其硬件原理的介绍，也可以参考这篇博客³：ARM的STRB和LDRB指令分析

ldrh

ldrh 和 ldrb 一样，不同之处在于 ldrh 会读入半个字长，就是 4 位。

ldrh w2, [x5, x2, lsl #1]

将 x5 + (x2 << 1) 的地址对应的值放入寄存器 w2 中，注意只放入读取到的值的最低 4 位，剩余的高 28 位填 0.

ldrsw

在 ARM 架构中，LDRSW 指令是用于从内存中读取一个 32 位带符号整数到寄存器的指令。LDRSW 的全称是“Load Register Signed Word”，其中的 S 表示的是 Signed，即有符号类型。

具体来说，LDRSW 指令的语法如下所示：

LDRSW Xt, [Xn{,#0|,#Imm}] 

其中：

• Xt：目标寄存器，用于存储从内存中读取的带符号整数。
• Xn：基地址寄存器，用于存储待读取数据的内存地址。
• #Imm：偏移量，用于计算实际要读取的内存地址，可以是 1~4 字节的立即数，根据指令变体的不同，也可能存在其他可选的偏移量格式。

执行 LDRSW 指令时，它会从指定的内存地址中取得一个 32 位带符号整数，将其符号位扩展（sign extension）至 64 位，并将结果存储到目标寄存器中。需要注意的是，LDRSW 指令只能读取 32 位的有符号整数，如果需要读取其它类型的数据，则需要使用其他类型的 Load 指令。

总之，LDRSW 指令是 ARM 架构中的一种用于从内存中读取带符号整数的指令，可以广泛应用于各种需要使用 32 位有符号整数的场景中。

adrp

adrp x23, #-0x3ed000 (addr -0x234000)

adrp 一般用于获得地址，就我个人的理解而言，adrp 将当前 PC 所在的页的基地址计算得到并存储到寄存器中，后续根据这个寄存器中的基地址进行偏移运算。

引用一个博客中的一段描述⁴：

adrp指令根据 PC 的偏移地址计算目标页地址。首先 adrp 将一个 21 位有符号立即数左移 12 位，得到一个 33 位的有符号数（最高位为符号位），接着将 PC地址的低 12 位清零，这样就得到了当前 PC 地址所在页的地址，然后将当前 PC 地址所在页的地址加上 33 位的有符号数，就得到了目标页地址，最后将目标页地址写入通用寄存器。此处页大小为 4KB，只是为了得到更大的地址范围，和虚拟内存的页大小没有关系。通过 adrp 指令，可以获取当前 PC 地址 ±4GB范围内的地址。通常的使用场景是先通过 adrp 获取一个基地址，然后再通过基地址的偏移地址获取具体变量的地址。

从上面的描述中我们可以看出，adrp 的结果是与当前的 PC 有关的，通过当前 PC 地址的偏移地址计算目标地址，因此属于位置无关码；在示例中括号也给出了最终的偏移地址。

stp

入栈指令，store pair

str

(store register) 将寄存器中的值写入到内存中，如：

str w9, [sp, #0x8] 

将寄存器 w9 中的值保存到栈内存 [sp + 0x8] 处。

strb

(store register byte) 将寄存器中的值写入到内存中（只存储一个字节），如：

strb w8, [sp, #7] 

将寄存器 w8 中的低 1 字节的值保存到栈内存 [sp + 7] 处

stlxr

在 ARM 架构中，STLXR 指令是原子性的存储、条件执行和即时跳转指令。该指令用于在多核创建共享内存并发访问的场景中，对数据进行原子性操作，以保证数据的一致性和正确性。

具体来说，STLXR 指令的含义如下：

• STLXR: Store Exclusive Register
• Rd: 目标寄存器，用于存储“存储操作”是否成功，取值为 0 或者 1。
• Rt: 源寄存器，其中存储“写入数据”。
• Rn: 目标地址寄存器，其中存储需要写入数据的内存地址。

当执行 STLXR 指令时，它会将目标存储地址（Rn）处的数据与当前处理器正在执行的 CPU 的标识进行比较。如果这个位置的值与标识符相同，则将源寄存器（Rt）中的数据写入该位置，并将目标寄存器（Rd）设置为 1，表示存储成功；否则，将目标寄存器设置为 0，表示存储失败。

可以看出，STLXR 指令实现了一种快速锁定和释放内存地址的机制，使得在多核场景中，多个 CPU 可以同时读取和修改共享内存的数据，而不会出现资源竞争的情况。

位操作

ubfx

举例说明：

ubfx	x10, x3, #3, #29

含义为从 x3 寄存器的第 3 位开始，提取 29 位到 x10 寄存器中。剩余高位用 0 填充，即 无符号位域提取指令。

UBFX 指令一般有两种用法：

UBFX Wd, Wn, #lsb, #width ; 32-bit
UBFX Xd, Xn, #lsb, #width ; 64-bit

and

AND 为按位与操作。

我们结合一个 AND 指令的指令编码来分析一下 AND 指令中的细节。

指令如下：

d2ffffe9 	mov	x9, #-281474976710656

二进制编码如下：

1011 0010 0100 1111 1111 1011 1110 1001

结合 arm v8 手册，我们 @todo，以后研究该命令。

lsl

lsl 为逻辑左移指令。

lsl	w9, w11, w9

左移指令分两种，可以给定寄存器或者立即数进行移位：

LSL <Wd>, <Wn>, #<shift> ; 32-bit
LSL <Xd>, <Xn>, #<shift> ; 64-bit

or

LSL <Wd>, <Wn>, <Wm> ; 32-bit
LSL <Xd>, <Xn>, <Xm> ; 64-bit

lsr

lsr 为右移指令，用法和 lsl 相似。

Footnotes

1. https://juejin.cn/post/6978137866152968222 ↩

2. https://azeria-labs.com/memory-instructions-load-and-store-part-4/ ↩

3. ARM的STRB和LDRB指令分析 ↩

4. https://blog.csdn.net/u011037593/article/details/121877496 ↩