指令

现在您已经了解了 sBPF 的寄存器和内存区域，让我们来研究操作它们的指令。

指令是您的程序执行的基本操作——例如加法、从内存加载数据或跳转到不同位置。

什么是指令？

指令是您程序的基本构建块。可以将它们视为告诉处理器具体执行什么操作的命令：

• add64 r1, r2: "将寄存器 r1 和 r2 中的值相加，结果存储在 r1 中"
• ldxdw r0, [r10 - 8]: "从堆栈内存中加载 8 字节到寄存器 r0"
• jeq r1, 42, +3: "如果 r1 等于 42，则向前跳转 3 条指令"

每条指令仅执行一个操作，并精确编码为 8 字节数据，以便虚拟机即时解码。

sBPF 指令处理不同的数据大小：

• 字节 = 8 位（1 字节）
• 半字 = 16 位（2 字节）
• 字 = 32 位（4 字节）
• 双字 = 64 位（8 字节）

大多数 sBPF 操作使用 64 位值（双字），因为寄存器是 64 位的，但在需要提高效率时，您可以加载和存储较小的大小。

指令类别和格式

当您编译 Rust、C 或汇编代码时，工具链会生成一系列固定宽度的 8 字节指令，并将其打包到 ELF 的 .text 部分中。

每条指令遵循一致的结构，虚拟机可以一次性解码：

   1 byte    4 bits   4 bits     2 bytes         4 bytes
┌──────────┬────────┬────────┬──────────────┬──────────────────┐
│  opcode  │  dst   │  src   │   offset     │      imm         │
└──────────┴────────┴────────┴──────────────┴──────────────────┘

• opcode: 定义操作类型。最高 3 位选择指令类别（算术、内存、跳转、调用、退出），而低 5 位指定具体的变体（加法、乘法、加载、条件跳转）。
• dst: 目标寄存器编号（r0–r10），用于存储结果——算术结果、加载值或辅助函数返回值。
• src: 提供输入的源寄存器。对于双操作数算术（add r1, r2），它提供第二个值。对于内存操作，它可以提供基地址。对于立即数变体（add r1, 10），这 4 位折叠到操作码中。
• offset: 修改指令行为的小整数。对于加载/存储操作，它会加到源地址以到达 [src + offset]。对于跳转操作，它是以指令为单位的相对分支目标。
• imm: 立即数字段。算术操作使用它来表示常量（add r1, 42），CALL 使用它来表示系统调用编号（sol_log = 16），内存操作可能将其视为绝对指针。

指令类别

不同的指令类型以特定方式使用这些字段：

• 数据移动：在寄存器和内存之间移动值：

mov64 r1, 42           // Put immediate value 42 into r1
                       // opcode=move_imm, dst=1, src=unused, imm=42
 
ldxdw r0, [r10 - 8]    // Load 8 bytes from stack into r0  
                       // opcode=load64, dst=0, src=10, offset=-8, imm=unused
 
stxdw [r1 + 16], r0    // Store r0 to memory at [r1 + 16]
                       // opcode=store64, dst=1, src=0, offset=16, imm=unused

• 算术运算：执行数学运算：

add64 r1, r2           // r1 = r1 + r2
                       // opcode=add_reg, dst=1, src=2, offset=unused, imm=unused
 
add64 r1, 100          // r1 = r1 + 100  
                       // opcode=add_imm, dst=1, src=unused, offset=unused, imm=100

• 控制流：更改执行顺序：

ja +5                  // Jump forward 5 instructions unconditionally
                       // opcode=jump, dst=unused, src=unused, offset=5, imm=unused
 
jeq r1, r2, +3         // If r1 == r2, jump forward 3 instructions
                       // opcode=jump_eq_reg, dst=1, src=2, offset=3, imm=unused
 
jeq r1, 42, +3         // If r1 == 42, jump forward 3 instructions  
                       // opcode=jump_eq_imm, dst=1, src=unused, offset=3, imm=42

操作码编码

操作码编码捕获了除操作类型之外的多种信息：

• 指令类别：算术、内存、跳转、调用等
• 操作大小：32位与64位操作
• 源类型：寄存器与立即数
• 特定操作：加法与减法、加载与存储等

这为指令变体创建了不同的操作码。例如，add64 r1, r2（寄存器源）使用的操作码与add64 r1, 42 （立即数源）不同。同样，add64和add32在不同操作大小下也有不同的操作码。

算术运算进一步区分有符号和无符号变体。udiv64将值视为无符号（0到18亿亿），而sdiv64处理有符号值（-9亿亿到+9亿亿）。

指令执行

操作码决定了虚拟机如何解释其余字段。

当虚拟机遇到add64 r1, r2时，它读取操作码并识别这是一个使用两个寄存器的64位算术运算：

dst字段表示结果存入r1，src字段指定r2为第二操作数，而offset和immediate字段被忽略。

对于add64 r1, 42，操作码更改为表示立即数操作。此时，dst仍然指向r1，但src变得无意义，而immediate字段提供了第二操作数（42）。

内存操作以有意义的方式组合多个字段：

对于ldxdw r1, [r2+8]，操作码表示一个64位内存加载，dst接收加载的值，src提供基地址，而offset（8）被添加以创建最终地址r2 + 8。

控制流指令遵循相同的模式：

当您编写jeq r1, r2, +5时，操作码会编码一个比较两个寄存器的条件跳转。如果r1等于r2，虚拟机会将offset（5）加到程序计数器中，向前跳转5条指令。

操作码决定了哪些字段是有意义的。指令格式保持不变：操作码告诉您如何解释每个字段，从而消除了复杂的寻址模式或特殊情况。

函数调用和系统调用

sBPF的调用机制在不同版本中不断演进，以提高清晰度和安全性。在sBPF v3之前，call imm具有双重用途：立即数值决定了您是在调用内部函数还是在调用系统调用。

运行时根据立即数值范围区分这两者，系统调用号通常是像16这样的较小正整数，用于sol_log。

从sBPF v3开始，指令被分离以实现明确的行为。call现在使用相对偏移量处理内部函数调用，而syscall imm明确调用运行时函数。这种分离使字节码意图更加清晰，并实现了更好的验证。

通过callx的间接调用也有所演进。早期版本将目标寄存器编码在立即字段中，但从v2开始，为了与通用指令格式保持一致，它被编码在源寄存器字段中。

操作码参考表

内存加载操作

内存存储操作

算术操作（64位）

算术操作（32位）

逻辑操作（64位）

逻辑操作（32位）

控制流操作

函数调用操作

字节交换操作