9. x86-64指令系统

9.1 x86-64指令系统概述

背景

• Intel最早推出的64位架构是基于超长指令字VLIW技术的 IA-64体系结构，Intel 称其为
  显式并行指令计算机EPIC（ Explicitly Parallel Instruction Computer）。
• 安腾和安腾2分别在2000年和2002年问世，它们是IA-64体 系结构的最早的具体实现，
  因为是一种全新的、与IA-32不 兼容的架构，所以，没有获得预期的市场份额。
• AMD公司利用Intel在IA-64架构上的失败，抢先在2003年 推出兼容IA-32的64位版本指
  令集x86-64，AMD获得了以 前属于Intel的一些高端市场。AMD后来将x86-64更名为
  AMD64。
• Intel在2004年推出IA32-EM64T，它支持x86-64指令集。 Intel为了表示EM64T的64位
  模式特点，又使其与IA-64有 所区别，2006年开始把EM64T改名为Intel64。

1. IA-32 与 x86-64 寄存器比较

（1）IA-32支持的数据类型及格式

（2）x86-64中各类数据的长度

2. x86-64的寄存器

（1）x86-64的通用寄存器

• 新增8个64位通用寄存器（整数寄存器）
   R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15
   可作为8位（R8B~ R15B）、16位（R8W~ R15W）或 32位寄存器（R8D~R15D）使用
• 所有GPRs都从32位扩充到64位
   ①8个32位通用寄存器 EAX、EBX、ECX、EDX、EBP、 ESP、ESI、EDI
    对应扩展寄存器分别为 RAX、RBX、 RCX、RDX、RBP、RSP、RSI、RDI
   ② 新增了EBP、ESP、ESI和EDI 的低8位寄存器：BPL、SPL 、SIL和DIL
   ③可兼容使用原AH、BH、CH和DH寄存器 （使原来IA-32中的每个通用寄存器都可以是8位、16位、 32位和64位，如：SIL、SI、ESI、RSI）

（2）x86-64中寄存器的使用

• 指令可直接访问16个64位寄存器：RAX、RBX、RCX、RDX、 RBP、RSP、RSI、RDI，以及R8~ R15
• 指令可直接访问16个32位寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、EBP 、ESP、ESI、EDI，以及R8D~ R15D
• 指令可直接访问16个16位寄存器：AX、BX、CX、DX、BP、SP、 SI、DI，以及R8W~ R15W
• 指令可直接访问16个8位寄存器：AL、BL、CL、DL、BPL、SPL 、SIL、DIL，以及R8B~R15B

64位	RAX	RBX	RCX	RDX	RBP	RSP	RSI	RDI	R8~ R15
32位	EAX	EBX	ECX	EDX	EBP	ESP	ESI	EDI	R8D~ R15D
16位	AX	BX	CX	DX	BP	SP	SI	DI	R8W~ R15W
8位	AL	BL	CL	DL	BPL	SPL	SIL	DIL	R8B~R15B

• 为向后兼容，指令也可直接访问AH、BH、CH、DH
• 通过寄存器传送参数，因而很多过程不用访问栈，因此，与IA-32 不同，x86-64不需要帧指针寄存器，即RBP可用作普通寄存器使用
• 程序计数器为64位寄存器 RIP

（3）寄存器组织

IA-32的寄存器组织

x86-64的寄存器组织

63	32	0
%rax	%eax	返回值
%rbx	%ebx	被调用保护者
%rcx	%ecx	第四个参数
%rdx	%edx	第三个参数
%rsi	%esi	第二个参数
%rdi	%edi	第一个参数
%rbp	%ebp	被调用保护者
%rsp	%esp	堆栈指针
%r8	%r8d	第五个参数
%r9	%r9d	第六个参数
%r10	%r10d	调用保护者
%r11	%r11d	调用保护者
%r12	%r12d	被调用保护者
%r13	%r13d	被调用保护者
%r14	%r14d	被调用保护者
%r15	%r15d	被调用保护者

• 通用寄存器个数从8个增加到16个， 宽度从32位增加到64位
• 增加了%sil、 %dil、%bpl、 %spl 四个8位寄存器
• %riw为16位 %rib为8位 （i=8~15）

3. x86-64的地址和寻址空间

• 字长从32位变为64位，64位（8B）数据被称为一个四字（qw: quadword）
• 逻辑地址最长可达为64位，即理论上可访问的存储空 间达264字节或16EB（ExaByte）
• 编译器为指针变量分配64位（8B）
• 基址寄存器和变址寄存器都应使用64位寄存器
• 但实际上，AMD和Intel的x86-64仅支持48位虚拟地 址，因此，程序的虚拟地址空间大小为248=256TB
  

4. x86-64的浮点寄存器

• long double型数据虽然还采用80位（10B）扩展精度格式，但所分配存储空间从12B扩展为16B，即改为 16B对齐方式，但不管是分配12B还是16B，都只用到低10B
• 128位的XMM寄存器从原来的 8个增加到16个,XMM0~XMM15
• 浮点操作指令集采用基于SSE的面向XMM寄存器的指令集，而不采用基于浮点寄存器栈的x87 FPU 指令集
• 浮点操作数存放在XMM寄存器中

x86-64继承了IA-32中的8、16、32位通用寄存器和128位XMM寄存器 而取消了IA-32中的80位浮点寄存器栈ST(0)-ST(7)

16个128位寄 存器%xmmi （i=0~15）

5. x86-64中数据的对齐

• 各类型数据遵循一定的对齐规则，而且更严格
• 存储器访问接口被设计成按8字节或16字节为单位进行存取，其对齐规则是，任何K字节宽的基本数据类型和指针类型数据的起始地址一定是K的倍数。

数据类型	对齐边界
short	2字节
int、float	4字节
long、double、指针	8字节
long double	16字节

9.2 x86-64的基本指令

传送指令

movabsq I, R：	将64位立即数送64位通用寄存器
movq：	传送一个64位的四字
movsbq、movswq、movslq：	将源操作数进行符号扩展并传送到一个64位寄存器或存储单元中
movzbq、movzwq：	将源操作数进行零扩展后传送到一个64位寄存器或存储单元中
movl：	的功能相当于movzlq指令
pushq S：	R[rsp]←R[rsp]-8; M[R[rsp]] ←S
popq D：	D← M[R[rsp]]; R[rsp]←R[rsp]-8

算术逻辑指令

	常规的算术逻辑运算指令只要将原来IA-32中的指令扩展到64位即可
addq / subq	四字相加 / 四字相减
incq / decq	四字加1 / 四字减1
imulq	带符号整数四字相乘
orq	64位相或
salq	64位算术左移
leaq	有效地址 加载到64位寄存器
	对于x86-64，还有一些特殊的算术逻辑运算指令
imulq S	R[rdx]:R[rax]← S * R[rax] (64位*64位带符号整数）
mulq S	R[rdx]:R[rax]← S * R[rax] (64位*64位无符号整数）
cltq	R[rax] ← SignExtend(R[eax]) (将EAX内容符号扩展为四字）
clto	R[rdx]:R[rax]← SignExtend(R[rax]) (符号扩展为八字）
idivq S	R[rdx] ← R[rdx]:R[rax]mod S (带符号整数相除、余数） R[rax] ← R[rdx]:R[rax]÷S (带符号整数相除、商）
divq S	R[rdx] ← R[rdx]:R[rax]mod S (无符号整数相除、余数） R[rax] ← R[rdx]:R[rax]÷S (无符号整数相除、商）
	上述功能描述中，R[rdx]:R[rax]是一个128位的八字（oct word）

比较和测试指令

	与IA-32中比较和测试指令类似
cmpq S2, S1	S1-S2 (64位数相减进行比较）
testq S2, S1	S1∧S2 (64位数相与进行比较）
	条件转移指令、条件传送指令、条件设置指令 都根据上述比较指令 和测试指令生成的标志进行处理

1. 数据传送指令

例

2. 算术逻辑指令

例一

例二 ：不同长度操作数混合运算时，编译器必须选择正确的指令的组合。

3. x86-64逆向工程举例

9.3 x86-64的过程调用

IA-32与x86-64过程调用例子

程序代码：

long int sample(long int *xp, long int y)
{ 
	long int t=*xp+y; 
	*xp=t; 
	reutrn t;
}

在x86-64/Linux平台上用以 下命令执行汇编操作，得到与 IA-32兼容的汇编指令代码
$ gcc –O1 –S –m32sample.c

sample：
pushl	%ebp 
movl	%esp,  %ebp 
movl	8(%ebp),  %edx 
movl	12(%ebp), %eax 
addl	(%edx), %eax 
movl	%eax, (%edx) 
popl	%ebp 
ret

在x86-64/Linux平台上用以 下命令执行汇编操作，得到 x86-64汇编指令代码
$ gcc –O1 –S –m64sample.c

sample： 
movq	%rsi, %rax 
addq	(%rdi), %rax 
movq	%rax, (%rdi) 
ret

• 在x86-64/Linux 平台上默认生成 x86-64格式代码 ，故可省略-m64
• Long型数据长度不同 参数传递方式不同

1. x86-64过程调用的参数传递

 ①通过通用寄存器传送参数，很多过程不用访问栈，故执行时间比IA-32代码更短
 ②最多可有6个整型或指针型参数通过寄存器传递
 ③超过6个入口参数时，后面的通过栈来传递
 ④在栈中传递的参数若是基本类型，则都被分配8个字节
 ⑤call（或callq）将64位返址保存在栈中之前，执行R[rsp]←R[rsp]-8
 ⑥ret从栈中取出64位返回地址后，执行R[rsp]←R[rsp]+8

操作数宽度 （字节）	1	2	3	4	5	6	返回参数
8	RDI	RSI	RDX	RCX	R8	R9	RAX
4	EDI	ESI	EDX	ECX	R8D	R9D	EAX
2	DI	SI	DX	CX	R8W	R9W	AX
1	DIL	SIL	DL	CL	R8B	R9B	AL

2. x86-64过程调用的寄存器使用约定

 在过程(函数) 中尽量使用寄存器**RAX、 R10** 和 R11。 若使用 RBX、 RBP、R12、 R13、R14 和 R15，则需要 将它们先保存在栈中再使用 ，最后返回前 再恢复其值.

3. x86-64过程调用举例

参数存放

caller函数中部分指令（return语句前）

test函数中部分指令

caller函数中部分指令（return语句）

4. IA-32和x86-64的比较

例子

IA-32过程调用参数传递

• long double型数据虽然还采用80位（10B）扩展精度 格式，但所分配存储空间从12B扩展为16B，即改为16B对齐方式，但不管是分配12B还是16B，都只用到 低10B
• 128位的XMM寄存器从原来的8个增加到16个
• 浮点操作指令集采用基于SSE的面向XMM寄存器的指令集，而不采用基于浮点寄存器栈的x87 FPU 指令集
• 浮点操作数存放在XMM寄存器中

x86-64过程调用参数传递