武功秘笈阅读指南: x86指令系统简介

PA2的任务是在NEMU中实现x86指令系统(的子集), 你不可避免地需要了解x86指令系统的细节. i386手册有一章专门列出了所有指令的细节, 你需要在完成PA2的过程中反复阅读这一章的内容, 附录中的opcode map也很有用. 在这一小节中, 我们对x86指令系统作一些简单的梳理. 当你对x86指令系统有任何疑惑时, 请查阅i386手册, 关于指令系统的一切细节都在里面.

指令格式

x86指令的一般格式如下:

+-----------+-----------+-----------+--------+------+------+------+------------+-----------+
|instruction| address-  |  operand- |segment |opcode|ModR/M| SIB  |displacement| immediate |
|  prefix   |size prefix|size prefix|override|      |      |      |            |           |
|-----------+-----------+-----------+--------+------+------+------+------------+-----------|
|   0 OR 1  |  0 OR 1   |   0 OR 1  | 0 OR 1 |1 OR 2|0 OR 1|0 OR 1| 0,1,2 OR 4 |0,1,2 OR 4 |
| - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -|
|                                     number of bytes                                      |
+------------------------------------------------------------------------------------------+

除了opcode(操作码)必定出现之外, 其余组成部分可能不出现, 而对于某些组成部分, 其长度并不是固定的. 但给定一条具体指令的二进制形式, 其组成部分的划分是有办法确定的, 不会产生歧义(即把一串比特串看成指令的时候, 不会出现两种不同的解释). 例如对于以下指令:

1000fe:    66 c7 84 99 00 e0 ff    movw   $0x1,-0x2000(%ecx,%ebx,4)
100105:    ff 01 00

其组成部分的划分如下:

+-----------+-----------+-----------+--------+------+------+------+------------+-----------+
|instruction| address-  |  operand- |segment |opcode|ModR/M| SIB  |displacement| immediate |
|  prefix   |size prefix|size prefix|override|      |      |      |            |           |
|-----------+-----------+-----------+--------+------+------+------+------------+-----------|
|                            66                 c7     84     99    00 e0 ff ff    01 00   |
+------------------------------------------------------------------------------------------+

凭什么 0x84 要被解释成 ModR/M 字节呢? 这是由 opcode 决定的, opcode 决定了这是什么指令的什么形式, 同时也决定了 opcode 之后的比特串如何解释. 如果你要问是谁来决定 opcode , 那你就得去问Intel了.

在我们的PA中, address-size prefix 和 segment override prefix 都不会用到, 因此NEMU也不需要实现这两者的功能.

另外我们在这里先给出 ModR/M 字节和 SIB 字节的格式, 它们是用来确定指令的操作数的, 详细的功能会在将来进行描述:

ModR/M byte
7    6    5    4    3    2    1    0
+--------+-------------+-------------+
|  mod   | reg/opcode  |     r/m     |
+--------+-------------+-------------+


SIB (scale index base) byte
7    6    5    4    3    2    1    0
+--------+-------------+-------------+
|   ss   |    index    |    base     |
+--------+-------------+-------------+

指令集细节

要实现一条指令, 首先你需要知道这条指令的格式和功能, 格式决定如何解释, 功能决定如何执行. 而这些信息都在instruction set page中, 因此你务必知道如何阅读它们. 我们以 mov 指令的opcode表为例来说明如何阅读:

     Opcode       Instruction       Clocks        Description

< 1> 88 /r        MOV r/m8,r8       2/2           Move byte register to r/m byte
< 2> 89 /r        MOV r/m16,r16     2/2           Move word register to r/m word
< 3> 89 /r        MOV r/m32,r32     2/2           Move dword register to r/m dword
< 4> 8A /r        MOV r8,r/m8       2/4           Move r/m byte to byte register
< 5> 8B /r        MOV r16,r/m16     2/4           Move r/m word to word register
< 6> 8B /r        MOV r32,r/m32     2/4           Move r/m dword to dword register
< 7> 8C /r        MOV r/m16,Sreg    2/2           Move segment register to r/m word
< 8> 8D /r        MOV Sreg,r/m16    2/5,pm=18/19  Move r/m word to segment register
< 9> A0           MOV AL,moffs8     4             Move byte at (seg:offset) to AL
<10> A1           MOV AX,moffs16    4             Move word at (seg:offset) to AX
<11> A1           MOV EAX,moffs32   4             Move dword at (seg:offset) to EAX
<12> A2           MOV moffs8,AL     2             Move AL to (seg:offset)
<13> A3           MOV moffs16,AX    2             Move AX to (seg:offset)
<14> A3           MOV moffs32,EAX   2             Move EAX to (seg:offset)
<15> B0 + rb ib   MOV r8,imm8       2             Move immediate byte to register
<16> B8 + rw iw   MOV r16,imm16     2             Move immediate word to register
<17> B8 + rd id   MOV r32,imm32     2             Move immediate dword to register
<18> C6 /0 ib (*) MOV r/m8,imm8     2/2           Move immediate byte to r/m byte
<19> C7 /0 iw (*) MOV r/m16,imm16   2/2           Move immediate word to r/m word
<20> C7 /0 id (*) MOV r/m32,imm32   2/2           Move immediate dword to r/m dword

---------------------------------------------------------------------------
NOTES:
moffs8, moffs16, and moffs32 all consist of a simple offset relative
to the segment base. The 8, 16, and 32 refer to the size of the data. The
address-size attribute of the instruction determines the size of the
offset, either 16 or 32 bits.
---------------------------------------------------------------------------

注:
标记了(*)的指令形式的Opcode相对于i386手册有改动, 具体情况见下文的描述.

上表中的每一行给出了 mov 指令的不同形式, 每一列分别表示这种形式的opcode, 汇编语言格式, 执行所需周期, 以及功能描述. 由于NEMU关注的是功能的模拟, 因此 Clocks 一列不必关心. 另外需要注意的是, i386手册中的汇编语言格式都是Intel格式, 而objdump的默认格式是AT&T格式, 两者的源操作数和目的操作数位置不一样, 千万不要把它们混淆了! 否则你将会陷入难以理解的bug中.

首先我们来看 mov 指令的第一种形式:

     Opcode       Instruction       Clocks        Description
< 1> 88 /r        MOV r/m8,r8       2/2           Move byte register to r/m byte

• 从功能描述可以看出, 它的作用是"将一个8位寄存器中的数据传送到8位的寄存器或者内存中", 其中 r/m 表示"寄存器或内存".
• Opcode一列中的编码都是用十六进制表示, 88 表示这条指令的opcode的首字节是 0x88 , /r 表示后面跟一个 ModR/M 字节, 并且 ModR/M 字节中的 reg/opcode 域解释成通用寄存器的编码, 用来表示其中一个操作数. 通用寄存器的编码如下:

• Instruction一列中, r/m8 表示操作数是8位的寄存器或内存, r8 表示操作数是8位寄存器, 按照Intel格式的汇编语法来解释, 表示将8位寄存器( r8 )中的数据传送到8位寄存器或内存( r/m8 )中, 这和功能描述是一致的. 至于 r/m 表示的究竟是寄存器还是内存, 这是由 ModR/M 字节的 mod 域决定的: 当 mod 域取值为 3 的时候, r/m 表示的是寄存器; 否则 r/m 表示的是内存. 表示内存的时候又有多种寻址方式, 具体信息参考i386手册中的表格17-3.

看明白了上面的第一种形式之后, 接下来的两种形式也就不难看懂了:

< 2> 89 /r        MOV r/m16,r16     2/2           Move word register to r/m word
< 3> 89 /r        MOV r/m32,r32     2/2           Move dword register to r/m dword

但你会发现, 这两种形式的 Opcode 都是一样的, 难道不会出现歧义吗? 不用着急, 还记得指令一般格式中的 operand-size prefix 吗? x86正是通过它来区分上面这两种形式的. operand-size prefix 的编码是 0x66 , 作用是指示当前指令需要改变操作数的长度. 在IA-32中, 通常来说, 如果这个前缀没有出现, 操作数长度默认是32位; 当这个前缀出现的时候, 操作数长度就要改变成16位(也有相反的情况, 这个前缀的出现使得操作数长度从16位变成32位, 但这种情况在IA-32中极少出现). 换句话说, 如果把一个开头为 89 ... 的比特串解释成指令, 它就应该被解释成 MOV r/m32,r32 的形式; 如果比特串的开头是 66 89... , 它就应该被解释成 MOV r/m16,r16 .

到现在为止, <4>-<6>三种形式你也明白了:

< 4> 8A /r        MOV r8,r/m8       2/4           Move r/m byte to byte register
< 5> 8B /r        MOV r16,r/m16     2/4           Move r/m word to word register
< 6> 8B /r        MOV r32,r/m32     2/4           Move r/m dword to dword register

<7>和<8>两种形式的mov指令涉及到段寄存器:

< 7> 8C /r        MOV r/m16,Sreg    2/2           Move segment register to r/m word
< 8> 8D /r        MOV Sreg,r/m16    2/5,pm=18/19  Move r/m word to segment register

现在NEMU中并没有加入段寄存器的功能, 因此这两种形式的 mov 指令还没有实现. 但现在你可以先忽略它们, 你将会在PA3中加入这两种形式.

<9>-<14>这6种形式涉及到一种新的操作数记号 moffs :

< 9> A0           MOV AL,moffs8     4             Move byte at (seg:offset) to AL
<10> A1           MOV AX,moffs16    4             Move word at (seg:offset) to AX
<11> A1           MOV EAX,moffs32   4             Move dword at (seg:offset) to EAX
<12> A2           MOV moffs8,AL     2             Move AL to (seg:offset)
<13> A3           MOV moffs16,AX    2             Move AX to (seg:offset)
<14> A3           MOV moffs32,EAX   2             Move EAX to (seg:offset)
---------------------------------------------------------------------------
NOTES:
moffs8, moffs16, and moffs32 all consist of a simple offset relative
to the segment base. The 8, 16, and 32 refer to the size of the data. The
address-size attribute of the instruction determines the size of the
offset, either 16 or 32 bits.
---------------------------------------------------------------------------

NOTES中给出了 moffs 的含义, 它用来表示段内偏移量, 但NEMU现在还没有"段"的概念, 目前可以理解成"相对于物理地址0处的偏移量". 这6种形式是 mov 指令的特殊形式, 它们可以不通过 ModR/M 字节, 让 displacement 直接跟在 opcode 后面, 同时让 displacement 来指示一个内存地址.

<15>-<17>三种形式涉及到两种新的操作数记号:

<15> B0 + rb ib   MOV r8,imm8       2             Move immediate byte to register
<16> B8 + rw iw   MOV r16,imm16     2             Move immediate word to register
<17> B8 + rd id   MOV r32,imm32     2             Move immediate dword to register

其中:

• +rb , +rw , +rd 分别表示8位, 16位, 32位通用寄存器的编码. 和 ModR/M 中的 reg 域不一样的是, 这三种记号表示直接将通用寄存器的编号按数值加到 opcode 中(也可以看成通用寄存器的编码嵌在 opcode 的低三位), 因此识别指令的时候可以通过 opcode 的低三位确定一个寄存器操作数.
• ib , iw , id 分别表示8位, 16位, 32位立即数

最后3种形式涉及到一种新的操作码记号 /digit , 其中 digit 为 0 ~ 7 中的一个数字:

<18> C6 /0 ib (*) MOV r/m8,imm8     2/2           Move immediate byte to r/m byte
<19> C7 /0 iw (*) MOV r/m16,imm16   2/2           Move immediate word to r/m word
<20> C7 /0 id (*) MOV r/m32,imm32   2/2           Move immediate dword to r/m dword

注:
标记了(*)的指令形式的Opcode相对于i386手册有改动, 具体情况见下文的描述.

上述形式中的 /0 表示一个 ModR/M 字节, 并且 ModR/M 字节中的 reg/opcode 域解释成扩展opcode, 其值取 0 . 对于含有 /digit 记号的指令形式, 需要通过指令本身的 opcode 和 ModR/M 中的扩展opcode共同决定指令的形式, 例如 80 /0 表示 add 指令的一种形式, 而 80 /5 则表示 sub 指令的一种形式, 只看 opcode 的首字节 80 不能区分它们.

注: 在i386手册中, 这3种形式的 mov 指令并没有 /0 的记号, 在这里加入 /0 纯粹是为了说明 /digit 记号的意思. 但同时这条指令在i386中也比较特殊, 它需要使用 ModR/M 字节来表示一个寄存器或内存的操作数, 但 ModR/M 字节中的 reg/opcode 域却没有用到(一般情况下, ModR/M 字节中的 reg/opcode 域要么表示一个寄存器操作数, 要么作为扩展opcode), i386手册也没有对此进行特别的说明, 直觉上的解释就是"无论 ModR/M 字节中的 reg/opcode 域是什么值, 都可以被CPU识别成这种形式的 mov 指令". x86是商业CPU, 我们无法从电路级实现来考证这一解释, 但对编译器生成代码来说, 这条指令中的 reg/opcode 域总得有个确定的值, 因此编译器一般会把这个值设成 0 . 在NEMU的框架代码中, 对这3种形式的 mov 指令的实现和i386手册中给出 Opcode 保持一致, 忽略 ModR/M 字节中的 reg/opcode 域, 没有判断其值是否为 0 . 如果你不能理解这段话在说什么, 你可以忽略它, 因为这并不会影响实验的进行.

到此为止, 你已经学会了如何阅读大部分的指令集细节了. 需要说明的是, 这里举的 mov 指令的例子并没有完全覆盖i386手册中指令集细节的所有记号, 若有疑问, 请参考i386手册.

除了opcode表之外, Operation , Description 和 Flags Affected 这三个条目都要仔细阅读, 这样你才能完整地掌握一条指令的功能. Exceptions 条目涉及到执行这条指令可能产生的异常, 由于NEMU不打算实现异常处理的机制, 你可以不用关心这一条目.