徒手编写了一个STM8的反汇编工具

原创电子工程世界 2023-07-26 07:30

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最近打算玩一下STM8, 只为了消化一下我的库存，因为我曾经买过几个型号的STM8单片机，但是一直没用来DIY啥。我对STM8熟悉程度远不如STM32, 后者是流行广泛的ARM核，STM8却是ST独家的架构。

STM8 CPU是在ST7基础上增强，有人说是从6502演变来的，我看倒也不像。

学习了一下历史，Motorola的6800演变出来的6805/6811/6809三个分支，以及6502这个与6800有渊源的CPU，从寄存器和指令集上看STM8是和它们有相似之处的，不过差异的地方也很大。作为一个8位MCU，STM8的寻址范围居然达到16M byte（我不信ST会给8位机配上1M以上的ROM或RAM），寻址模式就很多了，间接内存访问比x86都复杂，看惯了RISC的CPU更不能忍。好吧，虽然指令集复杂，STM8的执行速度还快，反正不会纯用汇编来开发。

ST并没有提供STM8的C编译器（汇编器是有的），需要用第三方的。Cosmic C编译器有免费License的版本可以用，这也是ST推荐的，我就装了一个来试。ST官方支持的还有Raisonance的编译器，此外IAR也有STM8的开发环境。

试写了个C程序测试，可以用STVP连接ST-Link下载程序，但我觉得还需要个能反汇编看编译结果的东西。Cosmic工具链里面没有反汇编程序，ST的汇编工具里也没有，STVD既然能跟踪调试应该有，但我没能把它用起来。

干脆自己写一个STM8反汇编工具吧，也练下手怎么写。先研究下STM8的指令集，这是一种典型变长指令集，除了前缀字节，操作码就在一个字节里面。于是我照着手册统计了一张表出来：

一个字节能表示的范围除了 0x90, 0x91, 0x92, 0x72 用来做指令前缀，其它几乎都用来作操作码了。当然许多指令都有多种寻址模式的（比如加法是谁和谁相加，需要指定），因此用了不止一个操作码。算上寻址模式，256种指令都不够用的，所以STM8靠前面增加前缀字节来扩展。从手册里面截一个例子如下(这是XOR指令的多种编码)：

在指令的操作码后面就是提供数据或地址的字节了，长度由操作码加上前缀来决定。

编写反汇编程序就是写一个根据字节数据流的查表过程。上面我做的那个表只是划分了指令的分布，涉及到寻址模式的细节还是得一边写一边查手册。从表上看，操作码的高半字节大概可以把指令划分为几类，再用低半字节去细分指令，于是我的程序解码第一步就是一个 switch-case 结构来划分任务：

int decode_instr(unsigned char opcode)
{
switch(opcode>>4)
{
case 1: case 0x0A: case 0x0B: case 0x0C:
case 0x0D: case 0x0E: case 0x0F:
return decode_group1(opcode);
case 0: case 3: case 4: case 6: case 7:
return decode_group2(opcode);
case 5:
if(Prefix==0x72)
return decode_group2(opcode);
else
return decode_5x(opcode);
case 8:
return decode_8x(opcode);
case 2:
return decode_2x(opcode);
case 9:
return decode_9x(opcode);
default:
return -1;
}
}

解码的结果是放到全局变量里面的，返回值只代表了指令是否有效。例如，表格最右边一列的指令我是这样解析的：

int decode_9x(unsigned char opcode)
{
AutoXY=1;
switch(opcode&0x0f)
{
case 0: return set_prefix(0x90);
case 1: return set_prefix(0x91);
case 2: return set_prefix(0x92);
case 3: format(0, LDW, regX, regY);
format(0x90, LDW, regY, regX);
return 1;
case 4: format(0, LDW, regSP, regX);
return 1;
case 5: format(0, LD, regXH, regA);
return 1;
case 6: format(0, LDW, regX, regSP);
return 1;
case 7: format(0, LD, regXL, regA);
return 1;
case 8: format(0, RCF, 0, 0);
return 1;
case 9: format(0, SCF, 0, 0);
return 1;
case 0xA: format(0, RIM, 0, 0);
return 1;
case 0xB: format(0, SIM, 0, 0);
return 1;
case 0xC: format(0, RVF, 0, 0);
return 1;
case 0xD: format(0, NOP, 0, 0);
return 1;
case 0xE: format(0, LD, regA, regXH);
return 1;
case 0xF: format(0, LD, regA, regXL);
return 1;
default:
return -1;
}
}

主要是靠 format() 函数根据当前的指令前缀来翻译操作码：指令名称，寻址的第一操作数、第二操作数。若一共写 256 个 case 分支就太繁琐了，需要抓住共性，像表格中绿色背景的这一组指令我是这么处理的：

int decode_group2(unsigned char opcode)
{
int instr;
AutoXY=1;
switch(opcode&0x0f)
{
case 1:
switch(opcode>>4)
{
case 0: format(0, RRWA, regX, 0); return 1;
case 3: format(0, EXG, regA, longmem); return 1;
case 4: format(0, EXG, regA, regXL); return 1;
case 6: format(0, EXG, regA, regYL); return 1;
default: return -1;
}
break;
case 2:
switch(opcode>>4)
{
case 0: format(0, RLWA, regX, 0); return 1;
case 3: format(0, POP, longmem, 0); return 1;
case 4: format(0, MUL, regX, regA); return 1;
case 6: format(0, DIV, regX, regA); return 1;
case 7: return set_prefix(0x72);
}
break;
case 5:
switch(opcode>>4)
{
case 3: format(0, MOV, longmem, imm8); return 1;
case 4: format(0, MOV, mem, mem); return 1;
case 6: format(0, DIVW, regX, regY); return 1;
default: return -1;
}
break;
case 0xB:
switch(opcode>>4)
{
case 3: format(0, PUSH, longmem, 0); return 1;
case 4: format(0, PUSH, imm8, 0); return 1;
case 6: format(0, LD, offSP, regA); return 1;
case 7: format(0, LD, regA, offSP); return 1;
default: return -1;
}
break;
case 0: instr=NEG; break;
case 3: instr=CPL; break;
case 4: instr=SRL; break;
case 6: instr=RRC; break;
case 7: instr=SRA; break;
case 8: instr=SLL; break;
case 9: instr=RLC; break;
case 0xA:instr=DEC; break;
case 0xC:instr=INC; break;
case 0xD:instr=TNZ; break;
case 0xE:instr=SWAP; break;
case 0xF:instr=CLR; break;
default: return -1;
}
switch(opcode>>4)
{
case 0: format(0, instr, offSP, 0); return 1;
case 3: format(0, instr, mem, 0);
format(0x92, instr, shortptr, 0);
format(0x72, instr, longptr, 0);
return 1;
case 4: format(0, instr, regA, 0);
format(0x72, instr, longoffX, 0);
return 1;
case 5: format(0x72, instr, longmem, 0);
return 1;
case 6: format(0, instr, offX, 0);
format(0x92, instr, sptr_offX, 0);
format(0x72, instr, lptr_offX, 0);
format(0x91, instr, sptr_offY, 0);
return 1;
case 7: format(0, instr, indX, 0);
return 1;
default: return -1;
}
}

在给 format() 这个函数的参数中，指令和操作数类型都是用数值来表示的——用 enum 定义：

#define SI_BASE 100
#define SA_BASE 1000
enum{
ADC=SI_BASE, ADD, ADDW, AND, BCCM, BCP, BCPL, BREAK, BRES, BSET, BTJF, BTJT, CALL,
CALLF, CALLR, CCF, CLR, CLRW, CP, CPW, CPL, CPLW, DEC, DECW, DIV, DIVW, EXG,
EXGW, HALT, INC, INCW, INT, IRET, JP, JPF, JRA,
JRC, JREQ, JRF, JRH, JRIH, JRIL, JRM, JRMI, JRNC, JRNE, JRNH, JRNM, JRNV,
JRPL, JRSGE, JRSGT, JRSLE, JRSLT, JRT, JRUGE, JRUGT, JRULE, JRULT, JRV,
LD, LDF, LDW, MOV, MUL, NEG, NEGW, NOP, OR, POP, POPW, PUSH, PUSHW, RCF, RET,
RETF, RIM, RLC, RLCW, RLWA, RRC, RRCW, RRWA, RVF, SBC, SCF, SIM, SLL, SLLW,
SRA, SRAW, SRL, SRLW, SUB, SUBW, SWAP, SWAPW, TNZ, TNZW, TRAP, WFE, WFI, XOR
};
enum{
regA=SA_BASE, regX, regY, regXH, regXL, regYH, regYL, regCC, regSP,
imm8, imm16, rel, mem, longmem, offX, offY, offSP, longoffX, longoffY,
indX, indY, shortptr, longptr, sptr_offX, sptr_offY, lptr_offX, lptr_offY,
ext, extoffX, extoffY
};

我想这么写而不是直接写字符串的原因是，字符串万一写错了很难检查出来。写成常量编译器可以检查，再统一对应到字符串即可。

format() 函数是这么实现的：

void format(unsigned char pre, int instr, int opr1, int opr2)
{
char replace=(AutoXY && Prefix==0x90 && pre==0);
if(replace)
{
int r1, r2;
r1=replace_X_Y(opr1);
r2=replace_X_Y(opr2);
if(r1>=SA_BASE && r2==0)
opr1=r1;
else
{
if(r2>=SA_BASE && r1==0)
opr2=r2;
else
return;
}
}
if(Prefix==pre ||replace)
{
if(instr
Str_inst="INVALID";
else
Str_inst=SYMI(instr);
if(opr1
Str_opr1=Empty;
else
Str_opr1=SYMA(opr1);
if(opr2
Str_opr2=Empty;
else
Str_opr2=SYMA(opr2);
}
}

format() 函数检查匹配指令前缀，匹配上了才把数值表示的指令和操作数类型转换成字符串，分别存到三个全局变量 Str_inst, Str_opr1, Str_opr2 中，其实这些字符串都是定义好的，也就是写指针而已。有个特殊处理是在 0x90 指令前缀下，自动将 X 寄存器替换为 Y 寄存器。

再来看下主程序中怎么输出反汇编文本的，首先是初始换化几个全局变量，然后调用 decode_instr() 按照操作码分解指令，判断是否成功。如果遇到指令前缀，那么就重新取下一个字节；如果有前缀但指令未被识别，那么调用 decode_instr_special() 进行特殊指令的处理，也就是上面的表中没法表示出来的指令。若解码失败，先输出错误的信息。

for(p=code;p
{
if(Prefix==0)
printf("%5X:\t", base_addr+(p-code));
Str_inst=Empty;
Str_opr1=Empty;
Str_opr2=Empty;
BitOpr=0;
RevOpr=0;
AutoXY=0;
tmp=decode_instr(*p);
if(tmp==0)
{ // prefix set
printf("%02X ", Prefix);
continue;
}
if(tmp>0 && Str_inst==Empty && Prefix)
tmp=decode_instr_special(*p);
if(tmp==-1)
{
if(Prefix==0)
printf(" ");
printf("%02X ", *p);
printf(" ???????? Unknown");
}

下面就是解码成功后的翻译过程了，用 get_extra() 函数从代码数据中提取操作数(立即数、地址等)，存放到dat1, dat2两个整型数，供后面用 printf() 输出。至于 printf() 需要的格式字符串，实际上是由解码得到的 Str_opr1, Str_opr2 结果提供的。这里还要特殊处理一下带位操作的指令（BCCM, BCPL, BRES, BSET, BTJF, BTJT这几个），其中的位是编码在操作码当中的，我在 format() 函数中并不把这个位编码作为一个操作数，尽管从汇编语言角度它应该是算一个操作数。