指引

現在你已經了解了 sBPF 的暫存器和記憶體區域，讓我們來研究操作它們的指令。

指令是你的程式執行的基本操作——例如加法、從記憶體載入數據，或跳轉到不同的位置。

什麼是指令？

指令是你的程式的基本構建塊。可以將它們視為告訴處理器具體執行什麼操作的命令：

• add64 r1, r2：「將暫存器 r1 和 r2 的值相加，結果存儲在 r1」

• ldxdw r0, [r10 - 8]：「從堆疊記憶體載入 8 個位元組到暫存器 r0」

• jeq r1, 42, +3：「如果 r1 等於 42，則向前跳轉 3 條指令」

每條指令僅執行一個操作，並精確編碼為 8 個位元組的數據，以便虛擬機即時解碼。

sBPF 指令處理不同大小的數據：

• byte = 8 位元（1 個位元組）

• halfword = 16 位元（2 個位元組）

• word = 32 位元（4 個位元組）

• doubleword = 64 位元（8 個位元組）

大多數 sBPF 操作使用 64 位值（doubleword），因為暫存器是 64 位的，但在需要提高效率時，你可以載入和存儲較小的數據大小。

指令類別和格式

當你編譯 Rust、C 或組合語言程式碼時，工具鏈會生成一串固定寬度的 8 位元組指令，並將其打包到你的 ELF 的 .text 區段中。

每條指令遵循一致的結構，虛擬機可以一次性解碼：

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

• opcode：定義操作類型。最高的 3 位選擇指令類別（算術、記憶體、跳轉、呼叫、退出），而最低的 5 位指定具體的變體（加法、乘法、載入、條件跳轉）。

• dst：目標暫存器編號（r0–r10），用於存儲結果——算術結果、載入的值或輔助函數的返回值。

• src：提供輸入的來源暫存器。對於雙操作數算術（add r1, r2），它提供第二個值。對於記憶體操作，它可以提供基址。對於立即數變體（add r1, 10），這 4 位會折疊到操作碼中。

• offset：一個小整數，用於修改指令行為。對於載入/存儲操作，它會加到來源地址以到達 [src + offset]。對於跳轉，它是一個以指令為單位的相對分支目標。

• imm：立即數值欄位。算術操作使用它來處理常數（add r1, 42），CALL 使用它來處理系統呼叫編號（sol_log = 16），而記憶體操作可能將其視為絕對指針。

指令類別

不同的指令類型以特定方式使用這些欄位：

• 數據移動：在暫存器和記憶體之間移動數值：

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

• 算術運算：執行數學運算：

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

• 控制流程：改變執行順序：

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

操碼編碼

操碼編碼捕捉了多種資訊，不僅僅是操作類型：

• 指令類別：算術、記憶體、跳轉、呼叫等

• 操作大小：32位元與64位元操作

• 資料來源類型：暫存器與立即值

• 特定操作：加法與減法、載入與存儲等

這為指令變體創建了不同的操碼。例如，add64 r1, r2（暫存器來源）使用的操碼與add64 r1, 42 （立即來源）不同。同樣，add64和add32針對不同的操作大小也有不同的操碼。

算術運算進一步區分有符號和無符號變體。udiv64將數值視為無符號（0到18百萬億），而sdiv64處理有符號數值（-9百萬億到+9百萬億）。

指令執行

操碼決定了虛擬機如何解讀其餘欄位。

當虛擬機遇到add64 r1, r2時，它會讀取操碼並識別這是一個使用兩個暫存器的64位元算術運算：

dst欄位表示結果將存入r1，src欄位指定r2為第二操作數，而offset和immediate欄位則被忽略。

對於add64 r1, 42，操碼改變以表示立即操作。此時，dst仍然指向r1，但src變得無意義，而immediate欄位提供了第二操作數（42）。

記憶體操作將多個欄位有意義地結合起來：

對於ldxdw r1, [r2+8]，操碼表示一個64位元記憶體載入，dst接收載入的值，src提供基址，而offset（8）被加上以創建最終地址r2 + 8。

控制流程指令遵循相同的模式：

當你編寫jeq r1, r2, +5時，操作碼會編碼一個比較兩個寄存器的條件跳轉。如果r1等於r2，虛擬機會將offset（5）加到程序計數器，向前跳轉5條指令。

操作碼決定了哪些字段是有意義的。指令格式保持不變：操作碼告訴你如何解釋每個字段，消除了複雜的尋址模式或特殊情況。

函數調用與系統調用

sBPF的調用機制在不同版本中演變，以提高清晰度和安全性。在sBPF v3之前，call imm具有雙重用途：立即值決定了你是在調用內部函數還是調用系統調用。

運行時根據立即值範圍區分這兩者，系統調用號通常是像16這樣的小正整數，對應於sol_log。

從sBPF v3開始，指令分離以實現明確的行為。call現在使用相對偏移量處理內部函數調用，而syscall imm明確調用運行時函數。這種分離使字節碼的意圖更加清晰，並且能夠進行更好的驗證。

通過callx的間接調用也有所演變。早期版本將目標寄存器編碼在立即字段中，但從v2開始，為了與通用指令格式保持一致，目標寄存器被編碼在源寄存器字段中。

操作碼參考表

記憶體加載操作

記憶體存取操作

算術操作（64位元）

算術操作（32位元）

邏輯運算（64位元）

邏輯運算（32位元）

控制流程操作

函數調用操作

字節交換操作