bpf, docs: Document BPF insn encoding in term of stored bytes
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index e672d5ec6cc7bc15301d8b553b4c76385bfe9757..db8789e6969ea705f2316e806b79e1f2c6ff3017 100644 (file)
@@ -7,6 +7,11 @@ eBPF Instruction Set Specification, v1.0
 
 This document specifies version 1.0 of the eBPF instruction set.
 
+Documentation conventions
+=========================
+
+For brevity, this document uses the type notion "u64", "u32", etc.
+to mean an unsigned integer whose width is the specified number of bits.
 
 Registers and calling convention
 ================================
@@ -30,20 +35,70 @@ Instruction encoding
 eBPF has two instruction encodings:
 
 * the basic instruction encoding, which uses 64 bits to encode an instruction
-* the wide instruction encoding, which appends a second 64-bit immediate value
-  (imm64) after the basic instruction for a total of 128 bits.
+* the wide instruction encoding, which appends a second 64-bit immediate (i.e.,
+  constant) value after the basic instruction for a total of 128 bits.
+
+The fields conforming an encoded basic instruction are stored in the
+following order::
+
+  opcode:8 src_reg:4 dst_reg:4 offset:16 imm:32 // In little-endian BPF.
+  opcode:8 dst_reg:4 src_reg:4 offset:16 imm:32 // In big-endian BPF.
+
+**imm**
+  signed integer immediate value
+
+**offset**
+  signed integer offset used with pointer arithmetic
 
-The basic instruction encoding looks as follows:
+**src_reg**
+  the source register number (0-10), except where otherwise specified
+  (`64-bit immediate instructions`_ reuse this field for other purposes)
 
-=============  =======  ===============  ====================  ============
-32 bits (MSB)  16 bits  4 bits           4 bits                8 bits (LSB)
-=============  =======  ===============  ====================  ============
-immediate      offset   source register  destination register  opcode
-=============  =======  ===============  ====================  ============
+**dst_reg**
+  destination register number (0-10)
+
+**opcode**
+  operation to perform
+
+Note that the contents of multi-byte fields ('imm' and 'offset') are
+stored using big-endian byte ordering in big-endian BPF and
+little-endian byte ordering in little-endian BPF.
+
+For example::
+
+  opcode                  offset imm          assembly
+         src_reg dst_reg
+  07     0       1        00 00  44 33 22 11  r1 += 0x11223344 // little
+         dst_reg src_reg
+  07     1       0        00 00  11 22 33 44  r1 += 0x11223344 // big
 
 Note that most instructions do not use all of the fields.
 Unused fields shall be cleared to zero.
 
+As discussed below in `64-bit immediate instructions`_, a 64-bit immediate
+instruction uses a 64-bit immediate value that is constructed as follows.
+The 64 bits following the basic instruction contain a pseudo instruction
+using the same format but with opcode, dst_reg, src_reg, and offset all set to zero,
+and imm containing the high 32 bits of the immediate value.
+
+This is depicted in the following figure::
+
+        basic_instruction
+  .-----------------------------.
+  |                             |
+  code:8 regs:8 offset:16 imm:32 unused:32 imm:32
+                                 |              |
+                                 '--------------'
+                                pseudo instruction
+
+Thus the 64-bit immediate value is constructed as follows:
+
+  imm64 = (next_imm << 32) | imm
+
+where 'next_imm' refers to the imm value of the pseudo instruction
+following the basic instruction.  The unused bytes in the pseudo
+instruction are reserved and shall be cleared to zero.
+
 Instruction classes
 -------------------
 
@@ -71,27 +126,32 @@ For arithmetic and jump instructions (``BPF_ALU``, ``BPF_ALU64``, ``BPF_JMP`` an
 ==============  ======  =================
 4 bits (MSB)    1 bit   3 bits (LSB)
 ==============  ======  =================
-operation code  source  instruction class
+code            source  instruction class
 ==============  ======  =================
 
-The 4th bit encodes the source operand:
+**code**
+  the operation code, whose meaning varies by instruction class
 
-  ======  =====  ========================================
-  source  value  description
-  ======  =====  ========================================
-  BPF_K   0x00   use 32-bit immediate as source operand
-  BPF_X   0x08   use 'src_reg' register as source operand
-  ======  =====  ========================================
+**source**
+  the source operand location, which unless otherwise specified is one of:
 
-The four MSB bits store the operation code.
+  ======  =====  ==============================================
+  source  value  description
+  ======  =====  ==============================================
+  BPF_K   0x00   use 32-bit 'imm' value as source operand
+  BPF_X   0x08   use 'src_reg' register value as source operand
+  ======  =====  ==============================================
 
+**instruction class**
+  the instruction class (see `Instruction classes`_)
 
 Arithmetic instructions
 -----------------------
 
 ``BPF_ALU`` uses 32-bit wide operands while ``BPF_ALU64`` uses 64-bit wide operands for
 otherwise identical operations.
-The 'code' field encodes the operation as below:
+The 'code' field encodes the operation as below, where 'src' and 'dst' refer
+to the values of the source and destination registers, respectively.
 
 ========  =====  ==========================================================
 code      value  description
@@ -99,35 +159,49 @@ code      value  description
 BPF_ADD   0x00   dst += src
 BPF_SUB   0x10   dst -= src
 BPF_MUL   0x20   dst \*= src
-BPF_DIV   0x30   dst /= src
+BPF_DIV   0x30   dst = (src != 0) ? (dst / src) : 0
 BPF_OR    0x40   dst \|= src
 BPF_AND   0x50   dst &= src
 BPF_LSH   0x60   dst <<= src
 BPF_RSH   0x70   dst >>= src
 BPF_NEG   0x80   dst = ~src
-BPF_MOD   0x90   dst %= src
+BPF_MOD   0x90   dst = (src != 0) ? (dst % src) : dst
 BPF_XOR   0xa0   dst ^= src
 BPF_MOV   0xb0   dst = src
 BPF_ARSH  0xc0   sign extending shift right
 BPF_END   0xd0   byte swap operations (see `Byte swap instructions`_ below)
 ========  =====  ==========================================================
 
+Underflow and overflow are allowed during arithmetic operations, meaning
+the 64-bit or 32-bit value will wrap. If eBPF program execution would
+result in division by zero, the destination register is instead set to zero.
+If execution would result in modulo by zero, for ``BPF_ALU64`` the value of
+the destination register is unchanged whereas for ``BPF_ALU`` the upper
+32 bits of the destination register are zeroed.
+
 ``BPF_ADD | BPF_X | BPF_ALU`` means::
 
-  dst_reg = (u32) dst_reg + (u32) src_reg;
+  dst = (u32) ((u32) dst + (u32) src)
+
+where '(u32)' indicates that the upper 32 bits are zeroed.
 
 ``BPF_ADD | BPF_X | BPF_ALU64`` means::
 
-  dst_reg = dst_reg + src_reg
+  dst = dst + src
 
 ``BPF_XOR | BPF_K | BPF_ALU`` means::
 
-  dst_reg = (u32) dst_reg ^ (u32) imm32
+  dst = (u32) dst ^ (u32) imm32
 
 ``BPF_XOR | BPF_K | BPF_ALU64`` means::
 
-  dst_reg = dst_reg ^ imm32
+  dst = dst ^ imm32
 
+Also note that the division and modulo operations are unsigned. Thus, for
+``BPF_ALU``, 'imm' is first interpreted as an unsigned 32-bit value, whereas
+for ``BPF_ALU64``, 'imm' is first sign extended to 64 bits and the result
+interpreted as an unsigned 64-bit value. There are no instructions for
+signed division or modulo.
 
 Byte swap instructions
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
@@ -155,11 +229,11 @@ Examples:
 
 ``BPF_ALU | BPF_TO_LE | BPF_END`` with imm = 16 means::
 
-  dst_reg = htole16(dst_reg)
+  dst = htole16(dst)
 
 ``BPF_ALU | BPF_TO_BE | BPF_END`` with imm = 64 means::
 
-  dst_reg = htobe64(dst_reg)
+  dst = htobe64(dst)
 
 Jump instructions
 -----------------
@@ -234,15 +308,15 @@ instructions that transfer data between a register and memory.
 
 ``BPF_MEM | <size> | BPF_STX`` means::
 
-  *(size *) (dst_reg + off) = src_reg
+  *(size *) (dst + offset) = src
 
 ``BPF_MEM | <size> | BPF_ST`` means::
 
-  *(size *) (dst_reg + off) = imm32
+  *(size *) (dst + offset) = imm32
 
 ``BPF_MEM | <size> | BPF_LDX`` means::
 
-  dst_reg = *(size *) (src_reg + off)
+  dst = *(size *) (src + offset)
 
 Where size is one of: ``BPF_B``, ``BPF_H``, ``BPF_W``, or ``BPF_DW``.
 
@@ -276,11 +350,11 @@ BPF_XOR   0xa0   atomic xor
 
 ``BPF_ATOMIC | BPF_W  | BPF_STX`` with 'imm' = BPF_ADD means::
 
-  *(u32 *)(dst_reg + off16) += src_reg
+  *(u32 *)(dst + offset) += src
 
 ``BPF_ATOMIC | BPF_DW | BPF_STX`` with 'imm' = BPF ADD means::
 
-  *(u64 *)(dst_reg + off16) += src_reg
+  *(u64 *)(dst + offset) += src
 
 In addition to the simple atomic operations, there also is a modifier and
 two complex atomic operations:
@@ -295,16 +369,16 @@ BPF_CMPXCHG  0xf0 | BPF_FETCH  atomic compare and exchange
 
 The ``BPF_FETCH`` modifier is optional for simple atomic operations, and
 always set for the complex atomic operations.  If the ``BPF_FETCH`` flag
-is set, then the operation also overwrites ``src_reg`` with the value that
+is set, then the operation also overwrites ``src`` with the value that
 was in memory before it was modified.
 
-The ``BPF_XCHG`` operation atomically exchanges ``src_reg`` with the value
-addressed by ``dst_reg + off``.
+The ``BPF_XCHG`` operation atomically exchanges ``src`` with the value
+addressed by ``dst + offset``.
 
 The ``BPF_CMPXCHG`` operation atomically compares the value addressed by
-``dst_reg + off`` with ``R0``. If they match, the value addressed by
-``dst_reg + off`` is replaced with ``src_reg``. In either case, the
-value that was at ``dst_reg + off`` before the operation is zero-extended
+``dst + offset`` with ``R0``. If they match, the value addressed by
+``dst + offset`` is replaced with ``src``. In either case, the
+value that was at ``dst + offset`` before the operation is zero-extended
 and loaded back to ``R0``.
 
 64-bit immediate instructions
@@ -317,7 +391,7 @@ There is currently only one such instruction.
 
 ``BPF_LD | BPF_DW | BPF_IMM`` means::
 
-  dst_reg = imm64
+  dst = imm64
 
 
 Legacy BPF Packet access instructions