AArch64 汇编指令集

• arm64-v8a 对应两套架构的指令集
  • AArch32（简称“A32”）的 ARM、Thumb、Thumb-2 指令集
  • AArch64（简称“A64”）的 64 位指令集

AArch64 指令编码

• AArch64 指令根据指令不同的位域分布将指令集分成了编码组（Encoding Group），在每个编码组下细分指令所属的类别：

• 可看出，只有 bits[28:24] 这五个位会影响指令的编码组，最后的 0b0111 与 0b1111 同属 SIMD 与浮点指令编码组
• AArch64 虽属 64 位指令系统，但指令长度仍为 32 位。AArch64 与 AArch32 最大的不同体现在寄存器的使用上。如，AArch32 中，将 R1 寄存器的值传入 R0 寄存器，对应的指令为 MOV R0, R1；而在 AArch64 中，对应的指令有 32 位的 MOV W0, W1 和 64 位的 MOV X0, X1。用 32 位还是 64 位的寄存器，主要根据指令最高位 bit[31] 的 sf 域的值是否为 1 决定，若为 1，使用 64 位寄存器；否则使用 32 位寄存器。通常在具体指令的伪代码描述部分会有如下一行，用来说明寄存器使用位数的判断方法：
  integer datasize = if sf == '1' then 64 else 32;
• 执行如下命令，可将 app2.c 编译成 AArch64 汇编代码：
  

AArch64 指令格式解析

• 以十六进制数 0x321D03E7 为例，分析其指令编码，找到其对应的 AArch64 汇编指令
• 用计算器查看其二进制编码：
  
• bits[28:26] 的值为 0b100，对应数据处理（立即数）指令编码组
• 数据处理（立即数）指令编码组中所有的指令类别：

• bits[28:23] 的值为 0b100100，对应逻辑（立即数）指令，其位域分布：
  
• 所有可选的指令：

• bit[31] 的 sf 域值为 0，表示这是用 32 位寄存器的指令。bits[30:29] 的 opc 域值为 0b01，表示这是 ORR（立即数）指令
• 使用 32 位寄存器的 ORR 指令格式：
  ORR <Wd|WSP>, <Wn>, #<imm>
• 指令的位域分布：
  
• ORR 指令的伪代码描述：

integer d = UInt(Rd);
integer n = UInt(Rn);
integer datasize = if sf == '1' then 64 else 32;
boolean setflags;
LogicalOp op;
case opc of
    when '00' op = LogicalOp_AND; setflags = FALSE;
    when '01' op = LogicalOp_ORR; setflags = FALSE;
    when '10' op = LogicalOp_EOR; setflags = FLASE;
    when '11' op = LogicalOp_AND; setflags = TRUE;

bits(datasize) imm;
if sf == '0' && N != '0'
    then ReservedValue();
(imm, -) = DecodeBitMasks(N, imms, immr, TRUE);

• 通过上述伪代码可计算出：d 的值为 Rd 域对应的整型数值，位于 bits[4:0]，值为 0b00111，即数值 7，可知指令格式中的 Wd 为 W7；n 的值为 Rn 域对应的整型数值，位于 bits[9:5]，值为 0b11111，全为 1 表示 0 寄存器，即 Wn 对应 WZR 寄存器。接下来只要知道指令格式中的 imm 的计算方法，就能得到完整的指令

• 可通过 DecodeBitMasks() 计算出 imm，伪代码如下：

// DecodeBitMasks()
// ================

// Decode AArch64 bitfield and logical immediate 
//  masks which use a similar encoding structure

(bits(M), bits(M)) DecodeBitMasks(bit immN, bits(6) imms, bits(6) immr, boolean immediate)
    bits(M) tmask, wmask;
    bits(6) levels;

    // Compute log2 of element size
    // 2^len must be in range [2, M]
    len = HighestSetBit(immN:NOT(imms));
    if len < 1 then ReservedValue();
    assert M >= (1 << len);

    // Determine S, R and S - R parameters
    levels = ZeroExtend(Ones(len), 6);

    // For logical immediate an all-ones value of S is reserved
    // since it would generate a useless all-ones result (many times)
    if immediate && (imms AND levels) == levels
        then ReservedValue();

    S = UInt(imms AND levels);
    R = UInt(immr AND levels);
    diff = S - R;    // 6-bit subtract with borrow

    esize = 1 << len;
    d = UInt(diff<len-1:0>);
    welem = ZeroExtend(Ones(S + 1), esize);
    telem = ZeroExtend(Ones(d + 1), esize);
    wmask = Replicate(ROR(welem, R));
    tmask = Replicate(telem);
    return (wmask, tmask);

• 整个 imm 的计算过程较复杂，不展开推算，直接给出计算结果 8（PS：书上这么写的，故不知如何计算的，但是个人认为这不是重点）
• 综上，0x321D03E7 对应的 AArch64 汇编指令为 ORR W7, WZR, #8
• 可用 rasm2 命令验证（小端字节序）：
  

• 若用 IDA Pro 分析这段指令，会发现 0x321D03E7 对应的指令为 MOV W7, #8。关于这点，可在 ARM 指令参考手册看到如下描述：

Bitwise inclusive OR (immediate): Rd = Rn OR imm
This instruction is used by the alias MOV (bitmask immediate).

• 将 Rn 与 imm 按位或的结果传给 Rd，在本质上与执行 MOV Rd, Rn, #imm 一样，只是 IDA Pro 觉得用 MOV 代替 ORR 能让汇编代码更易读