H1806BM2 微處理器指令系統(tǒng)分析破譯研究

寧振峰 黃巖/國營洛陽丹城無線電廠

0 引言

某型裝備采用復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)，即中段為慣性制導(dǎo)加或不加指令校正，末端為脈沖多普勒主動雷達制導(dǎo)。為了能夠深入了解并掌握該型裝備的核心技術(shù)，提升核心競爭力，決定開展該型裝備軟件破譯工作。

H1806BM2 微處理器是該型裝備一艙計算機分組件內(nèi)部的CPU 芯片，是整個一艙計算機分組件的核心，通過運行程序存儲器內(nèi)的工作程序代碼，管理一艙的工作狀態(tài)，實現(xiàn)一艙功能，最終完成目標(biāo)的搜索、截獲和跟蹤。由于H1806BM2 微處理器是俄制早期處理器型號，不是主流處理器芯片，搜集到的資料非常少，特別是其指令系統(tǒng)僅有簡單的基本指令功能介紹，諸如必需的尋址方式、每條指令的代碼長度以及內(nèi)部寄存器等關(guān)鍵信息等在搜集到的資料中沒有任何介紹，不能全面完整地描述一條指令的功能內(nèi)涵，也就無法進行后續(xù)的機器代碼反匯編工作，無法滿足軟件破譯的需求。

本文以此為出發(fā)點，對H1806BM2微處理器指令系統(tǒng)分析破譯方法進行研究，力圖摸索出一套正確、有效的分析破譯方法，完整破譯H1806BM2 微處理器的指令系統(tǒng)，為后續(xù)該型裝備軟件破譯工作提供技術(shù)支撐。

1 指令分析破譯思路

通過實施該型裝備一艙計算機分組件深修精修項目，已對一艙計算機硬件系統(tǒng)有了比較深入的了解。在工藝一艙測試過程中，首先通過邏輯分析儀采集計算機地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線上的動態(tài)數(shù)據(jù)；其次，按照指令的基本功能類型和復(fù)雜程度，對采集到的動態(tài)數(shù)據(jù)進行歸納分類；最后，通過對程序運行的總線數(shù)據(jù)進行動態(tài)跟蹤分析，同時依據(jù)多條指令執(zhí)行的結(jié)果進行聯(lián)合分析，采取結(jié)構(gòu)分析、推理、歸納等技術(shù)手段反推指令的詳細功能，最終完成了68 條基本指令及通過尋址方式擴充的數(shù)百條指令的分析破譯工作。

2 總線動態(tài)數(shù)據(jù)信息采集

考慮到程序存儲器芯片管腳細密，按常規(guī)拆除芯片用編程器加適配器讀取的方式存在一定的風(fēng)險，因而決定采取從采集數(shù)據(jù)總線中提取機器碼的方法，最終將全部30kB 的機器碼提取并整理成表 格。

具體步驟為：將六聯(lián)體插頭（內(nèi)總線擴展模塊）從一艙計算機上移除，用專用采集電纜網(wǎng)對一艙計算機各板卡內(nèi)部總線接口進行連接，用邏輯分析儀的Pod1、Pod2 飛線夾對應(yīng)夾接到電纜網(wǎng)的37 針雙列插針上，使用主動雷達一艙總體檢測系統(tǒng)對工藝一艙進行手動模式加電，順序進行各參數(shù)的單步測試。與此同時，用邏輯分析儀對一艙計算機內(nèi)部總線信息及SYNC、DIN、DOUT、RPLY 控制信號進行采集，記錄計算機執(zhí)行程序的軌跡，采集程序運行時計算機地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線上的動態(tài) 數(shù)據(jù)。

3 指令功能分析

根據(jù)采集到的總線動態(tài)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合每條機器碼指令執(zhí)行結(jié)果，綜合分析，反推出每條指令的功能。

由于大多數(shù)指令執(zhí)行結(jié)果存放在處理器內(nèi)部寄存器，無法實時反映在總線數(shù)據(jù)中，只有當(dāng)幾條指令先后執(zhí)行完畢，最終結(jié)果才反映在總線數(shù)據(jù)中，這無疑給指令分析破譯增加了很大 難度。

由于各條指令要實現(xiàn)的功能差異較大，經(jīng)初步分析發(fā)現(xiàn)H1806BM2 微處理器指令長度范圍從1 個字到3 個字，第1 個字為操作碼，第2 和第3 個字為操作數(shù)或地址碼。從現(xiàn)有資料來看，16 位的操作碼包括基本功能、寄存器選擇及尋址方式3 個部分。根據(jù)指令功能及復(fù)雜程度的不同，操作碼每一個部分的長度都不一致，有的指令只包含1 個操作數(shù)，有的指令卻包含源操作數(shù)和目標(biāo)操作數(shù)2 個操作數(shù)。例如，有的指令16 位功能碼全是基本功能，后面沒有操作數(shù)及尋址方式字段；有的指令有1 個操作數(shù)，基本功能碼為10 位，后面尋址方式字段為6 位；有的指令有2 個操作數(shù)，基本功能碼為4 位，后面尋址方式字段為12 位。通過以上分析，將處理器指令操作碼進行歸納分類，具體見 表1。

4 指令功能破譯

通過歸類整理，對指令類型及復(fù)雜程度有了初步了解，接下來將針對具體指令代碼進行分析破譯。采取由易到難的分析原則，先從功能單一的指令著手。

1）對于僅有基本操作碼的指令，功能比較明確，相對容易理解，如清Z標(biāo)志指令CLZ（00A8H）、置C 標(biāo)志指令SEC（00B1H）。

2）對于只有1 個操作數(shù)的指令，如符號取反指令NEG，從動態(tài)總線數(shù)據(jù)中查找該指令的幾種代碼，見表2，通過對該指令幾種形式的動態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，前三種形式在總線上看不到指令執(zhí)行結(jié)果，第四種可以看到指令的執(zhí)行過程。該指令首先將8358H 單元內(nèi)容讀回處理器內(nèi)部，數(shù)據(jù)符號取反后再送回8358H 單元。通過對這幾種指令形式的低6 位進行綜合分析，初步判斷前三種為寄存器尋址，第四種為直接尋址，且輔助位5～3 表示尋址方式，輔助位2～0 表示寄存器號。后經(jīng)多條指令各種指令形式的相互印證，確認了輔助位5～3 代表寄存器輔助位，輔助位2～0 代表尋址方式輔助位，且通用寄存器有6 個（R0～R5），R6 等同堆棧指示器SP，最終尋址方式輔助位結(jié)合寄存器輔助位才能構(gòu)成一個完整的尋址 方式。

表1 指令操作碼分類表

表2 NEG指令代碼表

表3 MOV指令代碼表

表4 尋址方式

表5 H1806BM2微處理器部分典型指令說明

3）對于有2 個操作數(shù)的指令，首先要區(qū)分源操作數(shù)和目標(biāo)操作數(shù)，每個操作數(shù)的尋址方式與單個操作數(shù)是一致的，如數(shù)據(jù)傳送指令MOV，從動態(tài)總線數(shù)據(jù)中查找到該指令的幾種代碼，見 表3。

由于是通過程序運行過程動態(tài)采集數(shù)據(jù)，不可能將每條指令所有的組合狀態(tài)都采集到，并且大多數(shù)指令的執(zhí)行結(jié)果不能顯現(xiàn)在總線上，因而只能盡量多地采集指令運行數(shù)據(jù)，再運用歸納推理的方法，對采集到的相關(guān)指令運行數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析，最終完成了所有68 條基本指令以及通過尋址方式擴充的數(shù)百條指令的破譯工作，整理出尋址方式說明表和H1806BM2 微處理器部分典型指令功能表（見表4 和表5），其中涵蓋了部分典型指令的功能描述、操作碼、指令代碼長度及輔助位所表示的各種尋址方式編碼。

5 結(jié)束語

H1806BM2 微處理器指令系統(tǒng)的破譯工作是整個裝備軟件系統(tǒng)分析破譯的關(guān)鍵難點之一。本文探索出一種H1806BM2 微處理器指令系統(tǒng)分析破譯方法，最終完成了所有68 條基本指令以及通過尋址方式擴充的數(shù)百條指令的破譯工作。該項工作的開展，可為今后類似處理器指令分析破譯提供可借鑒的方法和經(jīng)驗，對工廠新裝備、新技術(shù)能力建設(shè)的提升有著重要意義。