ARM指令和机器码对应关系：动态生成可执行指令

汇编经过编译器生成机器可以执行的机器码。由于有一段指令需要动态生成，所以简单看了一下汇编和机器码之间的关系。做了记录方便后面查找。

大部分情况下，写C/ASM，经由工具链生成可执行机器码。所以主要功能先由C/ASM编写，然后根据需求改变部分机器码。

首先研究一下《Instruction Set Assembly Guide for Armv7 and earlier Arm® architectures Version 2.0 Reference Guide》和《Arm A-profile A32/T32 Instruction Set Architecture》。

1. Conditional instruction

A32每条指令的bit[31:28]表示需要满足的条件，以PSTATE.NZCV作为输入检查条件是否满足。

// ConditionHolds()
// ================
// Return TRUE iff COND currently holds--如果当前条件满足，返回TRUE。
boolean ConditionHolds(bits(4) cond)
　　// Evaluate base condition.
　　boolean result;
　　case cond<3:1> of--根据cond[3:1]以及PSTATE返回result的值。
　　　　when '000' result = (PSTATE.Z == '1'); // EQ or NE
　　　　when '001' result = (PSTATE.C == '1'); // CS or CC
　　　　when '010' result = (PSTATE.N == '1'); // MI or PL
　　　　when '011' result = (PSTATE.V == '1'); // VS or VC
　　　　when '100' result = (PSTATE.C == '1' && PSTATE.Z == '0'); // HI or LS
　　　　when '101' result = (PSTATE.N == PSTATE.V); // GE or LT
　　　　when '110' result = (PSTATE.N == PSTATE.V && PSTATE.Z == '0'); // GT or LE
　　　　when '111' result = TRUE; // AL
　　// Condition flag values in the set '111x' indicate always true
　　// Otherwise, invert condition if necessary.
　　if cond<0> == '1' && cond != '1111' then--如果cond[0]=1,或者cond[3:0]!=1111，则result取反。
　　　　result = !result;
return result;

所以不同的cond[3:0]检查的不同的PSTATE.NZCV标志位，结合Condition code suffixes对应关系如下：

cond[3:0	PSTATE	Suffix	Meaning
0000	PSTATE.Z == '1'	EQ	Equal
0001	!(PSTATE.Z == '1')	NE	Not equal
0010	PSTATE.C == '1'	CS	Carry set(identical to HS)
0011	!(PSTATE.C == '1')	CC	Cary clear(identical to LO)
0100	PSTATE.N == '1'	MI	Minus or negative result
0101	!(PSTATE.N == '1' )	PL	Positive or zero result
0110	PSTATE.V == '1'	VS	Overflow
0111	!(PSTATE.V == '1'  )	VC	No overflow
1000	PSTATE.C == '1' && PSTATE.Z == '0'	HI	Unsigned higher
1001	!(PSTATE.C == '1' && PSTATE.Z == '0')	LS	Unsigned lower or same
1010	PSTATE.N == PSTATE.V	GE	Signed greater than or equal
1011	!(PSTATE.N == PSTATE.V)	LT	Signed less than
1100	(PSTATE.N == PSTATE.V) && PSTATE.Z == '0'	GT	Signed greater than
1101	!((PSTATE.N == PSTATE.V) && PSTATE.Z == '0')	LE	Signed len than or equal
1110	TRUE	AL	Alaways(this is the default)
1111	TRUE	AL	Alaways(this is the default)

以blx为例，如何从blx对应到机器码

BLX (register)是无条件跳转到(register)指向的地址。其指令机器码为：

 其中cond[3:0]=1110，所以blx (register)的bit[31:4] = 1110 0001 0010 1111 1111 1111 0011，bit[3:0]为寄存器序号，从0~15。其中r15即为pc寄存器，结果不可预测。

所以blx r3的机器码即为0xE12FFF30 | 0x3 = 0xE12FFF33。

设置跳转地址到寄存器，然后跳转到地址。

如果要对如下指令，使用不固定寄存器跳转到不固定地址：

mov r3, #0x0
movt r3, #0x8000
blx r3

编译后的机器码为：

根据MOV指令机器码说明，这里对应A1 S==0的情形。如果是imm16则对应A2机器码。

所以mov r3, #0x0的机器码为0xE3A00(cond+S+...)3(Rd)000(imm12) = 0xE3A03000。

如果是mov r3, #0xffff，机器码则为0xE30(cond...)+F(imm4)+3(Rd)+FFF(imm12) = 0xE30F3FFF。

 movt改变寄存器的高16位数值，所以movt r3, #0x8000对应的机器码即为：0xE34(cond...)8(imm4)3(Rd)000(imm12) = 0xE3883000。

 所以可以通过任意寄存器跳转到任意地址生成机器码。

void update_instructions(unsigned int addr, unsigned int reg, unsigned int *instructions)
{
    unsigned int * intr p = instructions;
    if(reg >= 15) {
        return;
    }
    //mov r3，#0x0
    if(addr & 0x0000F000) {
        *intr p++ = 0xE3A00000 \
            |(addr & 0x0000F000) << 4 \
            |(reg << 12) \
            |(addr & 0x00000FFF);
    } else {
        *intr _p++ = 0xE3000000 \
            |(reg << 12) \
            |(addr & 0x00000FFF);
    }
    //movt r3，#0x8000
    *intr p++ = 0xE3400000 \
        |(addr & 0xF0000000) >> 12 \
        |(reg << 12) \
        |(addr & 0x0FFF0000) >> 16;
    //blx r3
    *intr p = 0xE12FFF30 |reg;
}

 

为什么blx label地址范围+/-32MB，而blx <reg>不受限制

从blx (immediate)的机器码可知，imm24被扩展到Signed 26位，所以blx (immediate)的跳转空间是64MB，在当前指令位置的前后32MB内。

而blx <reg>跳转的地址存于寄存器中，寄存器的位宽足够覆盖整个地址空间。