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本篇关键词：指令格式、条件域、类型域、操作域、数据指令、访存指令、跳转指令、SVC(软件中断)

内核汇编相关篇为:

• v74.01 鸿蒙内核源码分析(编码方式) | 机器指令是如何编码的
• v75.03 鸿蒙内核源码分析(汇编基础) | CPU上班也要打卡
• v76.04 鸿蒙内核源码分析(汇编传参) | 如何传递复杂的参数
• v77.01 鸿蒙内核源码分析(可变参数) | 正在制作中 ...
• v78.01 鸿蒙内核源码分析(开机启动) | 正在制作中 ...
• v79.01 鸿蒙内核源码分析(进程切换) | 正在制作中 ...
• v80.03 鸿蒙内核源码分析(任务切换) | 看汇编如何切换任务
• v81.05 鸿蒙内核源码分析(中断切换) | 系统因中断活力四射
• v82.06 鸿蒙内核源码分析(异常接管) | 社会很单纯 复杂的是人
• v83.01 鸿蒙内核源码分析(缺页中断) | 正在制作中 ...

本篇说清楚 ARM指令是如何被编码的，机器指令由哪些部分构成，指令有哪些类型，每种类型的语法又是怎样的 ?

代码案例 | C -> 汇编 -> 机器指令

看一段C语言编译(clang)成的最后的机器指令(armv7)

int main(){
    int a = 0;
    if( a != 1) 
        a = 2*a + 1;
    return a;
}

 生成汇编代码如下:

 main:
60c: sub    sp, sp, #8
610: mov    r0, #0
614: str    r0, [sp, #4]
618: str    r0, [sp]
61c: ldr    r0, [sp]
620: cmp    r0, #1
624: beq    640 0x34>
628: b 62c 0x20>
62c: ldr r1, [sp]
630: mov r0, #1
634: orr r0, r0, r1, lsl #1
638: str r0, [sp]
63c: b 640 0x34>
640: ldr r0, [sp]
644: add sp, sp, #8
648: bx lr

汇编代码对应的机器指令如下图所示:

便于后续分析，将以上代码整理成如下表格

CPSR寄存器

在理解本篇之前需了解下CPSR寄存器的高4位[31,28] 表达的含义。关于寄存器的详细介绍可翻看 系列篇的 (寄存器篇)

N、Z、C、V均为条件码标志位。它们的内容可被算术或逻辑运算的结果所改变，并且可以决定某条指令是否被执行!意义重大!

• CPSR的第31位是 N，符号标志位。它记录相关指令执行后，其结果是否为负。
  如果为负 N = 1，如果是非负数 N = 0。
• CPSR的第30位是Z，0标志位。它记录相关指令执行后，其结果是否为0。
  如果结果为0。那么Z = 1。如果结果不为0，那么Z = 0。
• CPSR的第29位是C，进位标志位(Carry)。一般情况下，进行无符号数的运算。
  加法运算：当运算结果产生了进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0。
  减法运算（包括CMP）：当运算时产生了借位时（无符号数溢出），C=0，否则C=1。
• CPSR的第28位是V，溢出标志位(Overflow)。在进行有符号数运算的时候，
  如果超过了机器所能标识的范围，称为溢出。

指令格式

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)，如图(3)：

解读
图为ARM指令的编码一级格式，所有的指令都必须符合一级格式，分成三部分：

• 条件域: cond[31:28]表示，条件域会影响CPSR的条件码N、Z、C、V标志位。
• 类型域: op1[27:25]， op[4]，arm将指令分成了六大类型 。
• 操作域: 剩下的[24:5]，[4:0] 即图中的空白位/保留位，这是留给下级自由发挥的，不同的类型对这些保留位有不同的定义。可以理解为因类型变化而变化的二级格式。
• 那有了二级格式会不会有三级格式 ? 答案是必须有， 二级格式只会对保留位定义部分位，会留一部分给具体的指令格式自由发挥。
• 一定要理解这种层次结构才能理解ARM指令集的设计总思路，因为RISC（精简指令集） 的指令长度是固定的16/32/64位，以32位为例，所有的指令设计必须全用32位来表示，如果只有一层结构是难以满足众多的指令设计需求的，要灵活有包容就得给适当的空间发挥。

条件域

cond 为条件域，每一条可条件执行的条件指令都有4位的条件位域，2^4能表示16种条件

• 大部分的指令都是 1110 = e，无条件执行指令，只要看到 e开头的机器指令都属于这类

• 
  beq 640     // 机器码 0a000005  0000 1010 0000 0000 0000 0000 0000 0101
                                              0000 EQ Equal(相等)   Z == 1

### 类型域

**图(3)** 的 `op1` 域位于 `bits[27:25]`，占三位；`op` 域位于 `bit[4]`，占一位。它们的取值组合在一起，决定指令所属的分类（Instruction Class），其值对应的关系如下

op1 op 指令类型
00x - 数据处理以及杂项指令
010 - load/store word类型 或者 unsigned byte
011 0 同上
011 1 媒体接口指令
10x - 跳转指令和块数据操作指令，块数据操作指令指 STMDA 这类，连续内存操作。
11x - 协处理器指令和 svc 指令，包括高级的 SIMD 和浮点指令。

### 操作域

操作域是因类型变化而变化的二级格式 ，作用于保留位。包含

#### 00x | 数据处理类指令

![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/dp_register.png)

* 上图为涉及数据处理指令的对应编码，由 `op[占5位]`和`op2[占2位]`两项来确定指令的唯一性
* 一般情况下只需`op`指定唯一性，图中 `SUB`指令对应为 `0010x`，而代码案例中的第一句

sub sp, sp, #8 // 机器码 e24dd008 <=> 1110 0010 0100 1101 1101 0000 0000 1000

对应`[24:20]`位就是`0 0100`，从而`CPU`在译码阶段将其解析为`SUB`指令执行
* 需要用到`op2`的是 `MOV`系列指令，包括逻辑/算术左移右移，例如:

mov r0, #0 //e3a00000 <=> 1110 0011 1010 0000 0000 0000 0000 0000

中的`op = 1 1010` ，`op2 = 00` 对应 **MOV(register,ARM) on page A8-489**
`00x`中的`x`表示数据处理分两种情况
    + `000` 无立即数参与(寄存器之间) ，图**A5.2.1** 表示了这种情况 `[27:25]= 000`
    + `001` 有立即参与的运算，例如 `mov r0, #0` 中的 `[27:25]= 001`，此处未展示图，可前往 **ARM体系结构参考手册.pdf** 翻看

#### 010 | 加载存储指令

![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/load.png)

* `Load/store`是一组内存访问指令，用来在`ARM`寄存器和内存之间进行数据传送，`ARM`指令中有`3`种基本的数据传送指令

    + 单寄存器 `Load/Store` 内存访问指令（`single register`）：这些指令为ARM寄存器和存储器提供了更灵活的单数据项传送方式。数据可以使字节，16位半字或32位字
    + 多寄存器 `Load/Store` 内存访问指令：可以实现大量数据的同时传送，主要用于进程的进入和退出、保存和恢复工作寄存器以及复制寄存器中的一片（一块）数据
    + 寄存器交换指令（`single register swap`）: 实现寄存器数据和内存数据进行交换，而且是在一条指令中完成，执行过程中不会受到中断干扰
* 出现在代码案例中的

str r0, [sp, #4] // 机器码 e58d0004 <=> 1110 0101 1000 1101 0000 0000 0000 0100
str r0, [sp] // 机器码 e58d0000 <=> 1110 0101 1000 1101 0000 0000 0000 0000
将r0中的字数据写入以SP为地址的存储器中
ldr r0, [sp] // 机器码 e59d0000 <=> 1110 0101 1001 1101 0000 0000 0000 0000
存储器地址地址为SP的数据读入r0 寄存器

`[27:25] = 010`说明都属于这类指令，完成对内存的读写，包括 `LDR`、`LDRB`、`LDRH`、`STR`、`STRB`、`STRH`六条指令。
`ldr` 为加载指令，但是加载到内存还是寄存器，这该怎么记 ? 因为主角是`CPU`，加载有进来的意思，将内容加载至寄存器中。`STR`有出去的意思，将内容保存到内存里。
`[sp]`相当于`C`语言的 `*sp` ，`sp` 指向程序运行栈当前位置
* [具体可看 >> ARM的六条访存指令集---LDR、LDRB、LDRH、STR、STRB、STRH](https://blog.csdn.net/biggbang)

#### 010 | 多媒体指令

![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/media.png)

多媒体指令使用较少，但是它涉及指令却很多

#### 10x | 跳转/分支/块数据处理 指令

![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/if.png)

* 出现在代码案例中的

beq 640 // 机器码 0a000005 <=> 0000 1010 0000 0000 0000 0000 0000 0101
b 62c // 机器码 eaffffff <=> 1110 1010 1111 1111 1111 1111 1111 1111

`[27:25] = 101`说明都属于这类指令
* 听得很多的`pop`，`push`也属于这类，成块的数据操作，例如`push`常用于将函数的所有参数一次性入栈。
* 内存 <> 寄存器 批量数据搬运指令 `STMDA (STMED)` `LDMDA/LDMF`。

#### 11x | 软中断/协处理器 指令

![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/svc.png)

* 其中最有名的就是`svc 0`，在系列篇中曾多次提及它，此处详细说下 `svc`， `svc`全称是 `Supervisor Call`， `Supervisor`是`CPU`的管理模式，`svc`导致处理器进入管理模式，很多人问的系统调用底层是怎么实现的? `svc`就是答案。
* 例如 `printf`是个标准库函数，在标准库的底层代码中会调用 `svc 0`，导致用户态的 `ARM` 程序通常将系统调用号传入 `R7` 寄存器(也被鸿蒙内核使用)，然后用 `SVC` 指令调用 `0` 号中断来直接执行系统调用，
* 在以前的ARM架构版本中，`SVC`指令被称为`SWI`，软件中断。
* 描述`svc`功能的详细伪代码如下，请尝试读懂它

The TakeSVCException() pseudocode procedure describes how the processor takes the exception:
// TakeSVCException()
// ==================
TakeSVCException()
// Determine return information. SPSR is to be the current CPSR, after changing the IT[]
// bits to give them the correct values for the following instruction, and LR is to be
// the current PC minus 2 for Thumb or 4 for ARM, to change the PC offsets of 4 or 8
// respectively from the address of the current instruction into the required address of
// the next instruction, the SVC instruction having size 2bytes for Thumb or 4 bytes for ARM.
ITAdvance();
new_lr_value = if CPSR.T == '1' then PC-2 else PC-4;
new_spsr_value = CPSR;
vect_offset = 8;
// Check whether to take exception to Hyp mode
// if in Hyp mode then stay in Hyp mode
take_to_hyp = (HaveVirtExt() && HaveSecurityExt() && SCR.NS == '1' && CPSR.M == '11010');
// if HCR.TGE is set to 1, take to Hyp mode through Hyp Trap vector
route_to_hyp = (HaveVirtExt() && HaveSecurityExt() && !IsSecure() && HCR.TGE == '1'
&& CPSR.M == '10000'); // User mode
// if HCR.TGE == '1' and in a Non-secure PL1 mode, the effect is UNPREDICTABLE

preferred_exceptn_return = new_lr_value;
if take_to_hyp then
EnterHypMode(new_spsr_value, preferred_exceptn_return, vect_offset);
elsif route_to_hyp then
EnterHypMode(new_spsr_value, preferred_exceptn_return, 20);
else
// Enter Supervisor ('10011') mode, and ensure Secure state if initially in Monitor
// ('10110') mode. This affects the Banked versions of various registers accessed later
// in the code.
if CPSR.M == '10110' then SCR.NS = '0';
CPSR.M = '10011';
// Write return information to registers, and make further CPSR changes: IRQs disabled,
// IT state reset, instruction set and endianness set to SCTLR-configured values.
SPSR[] = new_spsr_value;
R[14] = new_lr_value;
CPSR.I = '1';
CPSR.IT = '00000000';
CPSR.J = '0'; CPSR.T = SCTLR.TE; // TE=0: ARM, TE=1: Thumb
CPSR.E = SCTLR.EE; // EE=0: little-endian, EE=1: big-endian
// Branch to SVC vector.
BranchTo(ExcVectorBase() + vect_offset);

* 这部分内容在系列篇 **(寄存器篇)** ，**(系统调用篇)** ，**(标准库篇)** 中都有提及。

### 具体指令

细看几条代码案例出现的常用指令

#### sub sp, sp, #8

sub sp, sp, #8 // 机器码 e24dd008 < = > 1110 0010 0100 1101 1101 0000 0000 1000

是减法操作指令，减法编码格式为
![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/sub.jpg)

图中除了给出格式语法还有一段伪代码用于描述指令的使用条件

* `sp`为 `13`号寄存器， `lr`为 `14`号寄存器 ，`pc`为 `15`号寄存器。
* 如果是`PC`寄存器`(Rn = 15)`且`S`等于`0` 查看 `ADR`指令。。
* 如果是`SP`寄存器`(Rn = 13)` 看 `SUB`(申请栈空间)。
* 如果是`PC`寄存器`(Rd = 15)`且`S`等于`1` 。查看 `subs`  `pc`  `lr`相关指令
* 套用格式结合源码

| cond | op1 | 操作码 | S | Rn | Rd | imm12(立即数) |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 1110 | 001 | 0010 | 0 | 1101 | 1101 | 0000 0000 1000 |
| 无条件执行 | 表示数据处理 | SUB |  | sp | sp | 8 |

#### mov r0, #0

![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/mov.png)

mov r0, #0 //e3a00000 1110 0011 1010 0000 0000 0000 0000 0000

#### bx lr

![](https://gitee.com/weharmonyos/resources/raw/master/74/bx.png)

bx lr e12fff1e 1110 0001 0010 1111 1111 1111 0001 1110

* Rm = 1110 对应 lr 寄存器 ，其相当于高级语言的 return，函数执行完了需切回到调用它的函数位置继续执行，lr保存的就是那个位置，从哪里来就回到哪里去。

### 百文说内核 | 抓住主脉络

* 百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在加注释过程中，每每有心得处就整理,慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切。
* 与代码需不断debug一样，文章内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。
* 百文在  站点发布，**鸿蒙研究站 | weharmonyos** 中回复 **百文** 可方便阅读。
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### 百万注源码 | 处处扣细节

* 百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。
* [](https://blog.csdn.net/biggbang) 四大码仓推送 | 同步官方源码，**鸿蒙研究站 | weharmonyos** 中回复 **百万** 可方便阅读。

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据说喜欢点赞分享的,后来都成了大神。?

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