在x86-64 (AMD64)体系结构中是否存在默认操作数大小？

Question

这是一个关于x86-64 (AMD64)体系结构中操作数大小覆盖前缀的问题.

下面是一堆汇编程序指令(nasm)及其编码；新的我指的是r8、.、r15寄存器：

                                                                   67: address-size override prefix
                                                                   |
                                                                   |  4x: operand-size override prefix
                                                                   |  |
   ;   Assembler                   ; | Dst operand | Src operand | -- --
       mov      eax,ecx            ; | 32-bit      | 32-bit      |       89 C8     |
       mov      r8d,ecx            ; | 32-bit new  | 32-bit      |    41 89 C8     |
       mov      eax,r9d            ; | 32-bit      | 32-bit new  |    44 89 C8     |
       mov      r8d,r9d            ; | 32-bit new  | 32-bit new  |    45 89 C8     |
       mov      rax,rcx            ; | 64-bit      | 64-bit      |    48 89 C8     |
       mov      r8,rcx             ; | 64-bit new  | 64-bit      |    49 89 C8     |
       mov      rax,r9             ; | 64-bit      | 64-bit new  |    4C 89 C8     |
       mov      r8,r9              ; | 64-bit new  | 64-bit new  |    4D 89 C8     |

       lea      eax,[ecx]          ; | 32-bit      | 32-bit      | 67    8D 01     |
       lea      r8d,[ecx]          ; | 32-bit new  | 32-bit      | 67 44 8D 01     |
       lea      eax,[r9d]          ; | 32-bit      | 32-bit new  | 67 41 8D 01     |
       lea      r8d,[r9d]          ; | 32-bit new  | 32-bit new  | 67 45 8D 01     |
       lea      rax,[rcx]          ; | 64-bit      | 64-bit      |    48 8D 01     |
       lea      r8,[rcx]           ; | 64-bit new  | 64-bit      |    4C 8D 01     |
       lea      rax,[r9]           ; | 64-bit      | 64-bit new  |    49 8D 01     |
       lea      r8,[r9]            ; | 64-bit new  | 64-bit new  |    4D 8D 01     |

       push     rax                ; |             | 64-bit      |       50        |
       push     r8                 ; |             | 64-bit new  |    41 50        |

通过研究这些以及与其他寄存器相同的指令，我推断出以下几点。在“旧”和“新”寄存器之间有一个配对。无穷无尽的：

   AX <--> R8
   CX <--> R9
   DX <--> R10
   BX <--> R11
   BP <--> R13 

忽略大小前缀，指令字节不引用特定寄存器，而是引用寄存器对。例如:字节89 C8表示从源( ecx、rcx、r9d或r9 )到目标( eax、rax、r8d或r8 )的mov指令。考虑到操作数必须都是32位或64位宽，有八个合法的可能组合。操作数大小覆盖前缀(或没有前缀)指示这些组合中的哪一个是预期的。例如，如果前缀是44，则源操作数必须是32位新寄存器(在本例中为r9d)，目标必须是32位旧寄存器(此处为信令eax)。

我可能不是完全正确，但我想我明白其中的要点。这样看来，操作数大小的覆盖前缀所做的覆盖是这样一个事实:没有它们，指令将使用32位的“旧”操作数。

但毫无疑问，有些事情让我无法理解，否则:那么谈论“一个默认操作数大小为64位的x86-64版本”(比如这里)又有什么意义呢？

或者有一种方法，运行在64位机器上，将默认的操作数大小设置为32或64，如果是，如果我的程序适当地设置机器，我会看到不同的编码？

另外:什么时候会使用66H操作数大小覆盖前缀？

Answer 1

是的，在64位机器代码中，大多数指令( 64位用于堆栈和跳转/调用指令 )的默认操作数大小是32位，loop和jrcxz也是64位.(默认的地址大小是64位，所以add eax, [rdi]是一个2字节的指令，没有前缀。)不，默认值是不可更改的，不能有2字节的add rax, rdx.

64位模式下的操作数编码

• 64位操作数大小由REX.W发出信号(0x4?的高位设置在低比特，48.4f)。清除W位的REX前缀永远不能覆盖操作数大小为32位的操作数，因为在操作码中，操作数是默认的。(如push)
• 16位操作数大小由0x66前缀表示，如imul ax, [r8], 123。
• 8位操作数大小使用不同的操作码。(8086有8位和16位操作数大小；8位操作数大小的操作码自那以后没有变化.)对于16位操作数大小，8086的操作码默认为模式和前缀依赖。

(在其他模式中，不存在REX，66将其设置为任何非缺省值。)

有趣的事实：被覆盖使用ECX代替RCX隐式地使用地址大小前缀，而不是操作数大小。IIRC，这是有意义的，因为分支的操作数大小属性会影响它是否将EIP截断为IP。

例如，GNU .intel_syntax反汇编的那些NASM-语法示例从上面。

objdump -drwC -Mintel foo
  401000:       6a 7b                   push   0x7b
  401002:       66 6a 7b                pushw  0x7b
  401005:       03 07                   add    eax,DWORD PTR [rdi]
  401007:       66 03 07                add    ax,WORD PTR [rdi]
  40100a:       48 03 07                add    rax,QWORD PTR [rdi]
  40100d:       66 41 6b 00 7b          imul   ax,WORD PTR [r8],0x7b

注意，imul示例使用了一个“高”寄存器，因此它需要一个REX前缀来向R8发送信号，而不需要使用66个前缀来表示16位操作数大小。.W位不是在rex前缀中设置的，而是0x41而不是0x49。

同时使用REX.W和0x66前缀是没有意义的。在这种情况下，REX.W前缀似乎“赢”。在Linux GDB中，在i7-6700k (Skylake)上，单步66 48 05 40 e2 01 00 data16 add rax,0x1e240离开RIP指向整个指令的末尾(并将完整的立即添加到RAX)，而不是将其解码为add ax, 0xe240，而使RIP指向4字节直接的中间。( 66前缀对该操作码来说是长度变化的，就像大多数具有32位即期(16位)的前缀一样。见https://agner.org/optimize/ re: LCP摊位。)

我让NASM从o16 add rax, 123456中发射出来。REX前缀一般都是普通的和良好的，使用66前缀，例如编码add r8w, [r15 + r12*4]，需要在REX的低比特中设置所有其他3位。

• 32位地址大小由0x67前缀(如add eax, [edx] )表示.

当然，它可以和操作数大小的东西结合起来，完全正交。

通常，32位地址大小仅适用于Linux x32 ABI (长模式下的ILP32，用于在指针重的数据结构上保存缓存占用)，您可能希望从指针中截断高垃圾，以确保地址数学正确包装以保持低4GiB，即使是32位负数。

  401012:       67 03 04 ba             add    eax,DWORD PTR [edx+edi*4]

在其他模式中，67将地址大小设置为非默认值。16位地址大小也意味着对ModRM字节的16位解释，所以只允许[bx|bp + si|di]，不允许SIB字节允许32 /64位的灵活寻址。

默认模式和集合

否，默认值不能在64位模式中更改.CS (或任何其他方法)选择的GDT条目中的不同位并不重要。模式中的表是模式和默认操作数/地址大小的可能组合的完整列表。

只有一组设置允许64位操作数大小。即使在任何遗留模式下，也不可能有像16位操作数、32位地址大小这样的组合。

从硬件复杂性的角度来看，这是有意义的。它需要支持的东西越多，就会有更多的晶体管涉及到CPU中已经很复杂和功率密集的部分。

(虽然push/pop隐式使用的默认堆栈地址大小由SS选择器IIRC独立选择。因此，我认为您可以使用普通的32位模式，其中add eax, [edx]是2字节，除了使用ss:sp而不是ss:esp的push/pop/call/ret之外。这不是我试过的东西。)

请注意，16位AX对应于16位R8W，而RAX和R8是由REX前缀区分的对。

在程序集源中，没有默认的，它必须由寄存器隐含或显式指定。

除了有些汇编程序具有push/pop的默认值，或者其他情况下也有一些错误的汇编程序(包括add $1, (%rdi)默认为dword的GNU )，仅在最近的版本中才有警告。奇怪的是，GAS在模棱两可的mov上确实有错误。clang的内置汇编程序更好，在任何不明确的操作数大小上都会出错。