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两种嵌入式CPU指令集

22 Nov 2016 TAGS : [ 技术相关 Mirai 汇编+bin Iot安全 嵌入式汇编 MIPS SuperH ]

虽然一直对嵌入式设备相关的东西比较关注,除了开发工具外,也在这里写过相关的文档《记一个组建僵尸网络的样本》。但一直没什么动力去花时间学习相关的汇编指令。由于近两个月一直在围绕着 Mirai 做事情,顺手就从中选两门汇编语言(MIPS、SuperH)简单学习一下,扩充下知识储备。

目前市面上的智能设备中,最常见的CPU有两种,分别为 ARM 和 MIPS(或mipsel),ARM在接触移动端安全时已经接触过了,所以这回就从 MIPS 开始。至于SuperH的选择是由于之前碰到过这种CPU设备,拿来做比对学习。

搞了两篇学习笔记,也同步更新到这个博客里,方便日后查阅。

MIPS 学习笔记

SuperH 学习笔记

配合之前写过的ARM相关的学习笔记,目前这里已经涵盖了3个嵌入式CPU资料了:

ARM相关的学习笔记

MIPS

该指令集在ARM普及前,在芯片领域具有相当大的影响力,甚至驰名中外的“龙芯”就是基于MIPS开发设计的,所以相关资料非常多,其中还有非常多的中文资料,学习成本相对较低。

既然提到“龙芯”,我很想在这里插一句,“龙芯”其实从工业设计到运算性能,完全有实力站在世界前列。但它一直无法替代Intel,AMD这些CPU的根本原因在于,生态环境不如人家成熟。这就和Windows Phone系统没法抗衡Android、IOS的道理一样。你再牛逼,人家Windows系统就是不鸟你,你能怎么办。

关于MIPS指令体系的特点,大概总结了以下几点:

  1. MIPS 和 mipsel 虽然拼写不同,但两者根本就是同一个东西,在汇编指令层毫无区别。在二进制层面上,每条指令对应的字节序是反过来的。感兴趣的同学可以到这个工程里,下载各自的二进制文件进行比对分析。该工程是为了学习嵌入式逆向特意创建的,把几段具有代表性的C代码交叉编译到不同的平台下,形成产品放在bin目录下,以供逆向学习时使用

  2. 另一个值得注意的情况是,在MIPS体系中,并没有见到与状态寄存器有关的鬼东西,这种状况很是少见。无论是在X86体系中,还是ARM体系中,状态寄存器都非常重要,溢出标志 / 操作数比较结果,等关键记录,都会在状态寄存器中做一个标识,而MIPS体系中竟然连个影子都没看到,它把原来需要两条指令做的事情在一条指令中完成,可以说是一种另辟蹊径的做法。

  3. 在mips体系中,还会看到另外一种诡异的现象,那就是指令碎片化。这种感觉,就和Android系统的碎片化有些类似了。由于相比其他指令体系,MIPS的指令体系更为开放,任何公司都可以比较容易的拿到授权,并在其基础上添加适合自身业务的新指令。好在大部分公司都是添加新指令,而不是更改原来的指令,这一点,让我很欣慰。

SuperH

该指令集来自岛国的日立公司。广泛应用于微型设备,指令集特点在于其每条指令只占两个字节长度,和ARM以及MIPS相比,相同功能的代码段,可以节约大约一半的存储空间。要知道,在微型设备中那可是寸土寸金,这样的优势相当明显的。

关于 SuperH 指令体系的特点,大概总结了以下几点:

  1. SH代码有极强的生存能力:在SH指令系统中,从 SH-1 到 SH-4 二进制兼容,这意味着,能在 SH-1 上运行的代码拿到 SH-4 上照样能运行,这是一条带给嵌入式设备商的福利,当新片升级时, 完全不需要去考虑原始代码在新设备的兼容性。

  2. 大量指令和间接取指有关。别看SH指令只有二字节(16 bits)长度,但SH体系却能够对 32 bits 的数字做运算。这依赖于SH完善的指令体系。其立即数相关指令最多只能处理8位二进制数,当有更大的计算需求时,就要通过间接寻址的方式来解决了,当然这要牺牲一部分计算性能。好在微型设备要做的事情一般也并怎么不复杂。

  3. 想学习却无处着手,SuperH的缺点在于其资料严重匮乏,除芯片厂商给出的说明文档外,基本没有其他资料可用来学习,能找到的资料除了日文,就是英文,中文资料基本别想。好在,日本人非常严谨,产品资料写的那叫一个细,屁大点事都能啰里啰嗦写一页,没错我就是在夸他们呢,你没听出来么?

  4. SH 是目前接触过的所有指令体系中,唯一具有延时指令机制的体系。延时指令的含义为,当指令执行到本条指令时,并会不立即产生指令效果,而是会等待下一条指令执行完毕后再产生效果。起初并不理解这么设计的意义,后来在读到《支撑处理器的技术:永无止境的追求速度的世界》这本书时,突然理解了。这是由于每条SH指令只占两个字节,在使用流水线式指令执行操作中,如果第一条指令的结果可能更改程序的执行顺序时(比如程序条转),那么第一条指令执行一半后,第二条指令已经开始进入取指阶段,当第一条指令完全执行完毕,第二条指令其实也已经执行了一半,此时如果放弃第二条指令的执行结果,无形中就浪费了CPU的时钟周期,索性不如让第二条指令完全执行完毕,再回头处理第一条指令的结果。虽然提高了CPU的时间利用率,但也把复杂的问题抛给了程序链接器。

这里算是对最近新学到的东西做了一些总结,以备日后查阅。

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