第13章 操作数和有效地址的尺寸

第13章 操作数和有效地址的尺寸

16位操作尺寸的指令和32位操作尺寸的指令可能具有相同的机器码，为了区分这两种不同操作尺寸的指令，32位处理器引入了默认操作尺寸的概念。

代码清单13-1

该章的代码实现的功能和上章一样，都是在页面打印：Protect Mode OK.

只是在进入保护模式后，采用jmp隐式的更新代码段寄存器CS，然后采用32位的操作数尺寸编译后续要执行的源码。

INTEL 80286处理器的16位保护模式

80286也是16位处理器，有24根地址线，可以访问16MB的内存。为了访问1MB以上的内存，同时为了支持多用户和多任务的系统，并加强对内存和程序的保护，80286引入了保护模式。

80286的段寄存器做了扩展，包括一个段选择器，以及一个描述符高速缓存器。在80286的保护模式下，传送到段寄存器里的值段选择子，用来在描述符表中选择一个段描述符。段描述符格式如下：

指令的操作尺寸

指令的操作尺寸（Operation Size）：是指令的数据长度及指令在访问内存时的有效地址长度。

16位操作尺寸

指令的操作尺寸是16位的，指令操作数长度是8位或者16位的，有效地址长度是16位的。

例如：

mov al,cl            ;8位
mov bx,[0x2e]        ;16位
add dx,[bx]          ;16位
push dx              ;16位
sub dx,[bx+si+0x03]  ;16位

32位操作尺寸

指令的操作尺寸是32位的，指令操作数长度是8位或者32位的，可以兼容16位操作尺寸的指令。

例如：

mov al,[0x2e]           ;al是8位的，内存有效地址0x0000002e
mov edx,eax             ;32位    
add al,[eax]            ;al是8位的，内存地址32位的，由eax提供
and edx,[eax+esi*8+3]   ;32位 
push edx                ;32位

默认操作尺寸

简化指令的编码：一种可行的方法就是让16位操作尺寸的指令和32位操作尺寸的指令使用相同的编码。

例如：

;以下两条指令的机器码：89 c8
mov ax,cx   ;16位指令
mov eax,ecx ;32位指令

指令格式：机器指令分成5大部分：前缀、操作码、寻址方式和操作数类型、立即数、位移。

• 前缀：重复前缀（REP/REPE/REPNE）；段超越前缀（ES、DS、CS）；总线封锁前缀（LOCK）等。
• 操作码：mov、add、inc等。
• 寻址方式和操作数类型：可选的，1~2字节。例如：eax，[bx+si+0x02]等。
• 立即数：mov eax,0x02 中的0x02就是立即数。
• 位移：8位或32位的位移，例如 mov ecx,[eax+ebx*8+0x02] 中的0x02。

例如：汇编语言指令

mov dx,[bx+si+0x02]

;编码后机器码：8B 50 02
;操作码0x8B；
;之后1字节的寻址方式和操作数类型部分；
;  位7和位6的值是01，表示使用了基地址变址的寻址方式，而且带有8位偏移量；
;  位5～位3的值是010，指示目的操作数为寄存器DX；
;  位2～位0的值是000，表示寻址方式为“BX+SI+8位位移”。
;之后是1字节的位移0x02。

画图表示如下：

再看汇编语言指令：

mov edx,[eax+0x02]

;编码后机器码也是：8B 50 02
;除了机器码第2个字节：位5～位3的值是010，指示目的操作数为寄存器EDX；
;其余都是一样的。

CS描述符高速缓存器中的D位：机器指令8B 50 02到底是什么？16位机器上没有问题，32位机器上取决于CS描述符高速缓存器中的D位，它用来指定处理器当前默认的操作尺寸（Default Operation Size）。

• CS描述符高速缓存器中的D位 = 0，16位操作尺寸。
• CS描述符高速缓存器中的D位 = 1，32位操作尺寸。

CS描述符高速缓存器中的D位变化情况：

• 处理器刚加电时为0；
• 刚进入保护模式未刷新CS时也是0，此时处理器工作在16位保护模式下。
• 后续可以刷新CS，可以设置为1，也可以为0。1就是32位保护模式，0就是16位保护模式。

操作尺寸反转前缀

如果当前默认的操作尺寸是16位的，想执行32位的，或者，如果当前默认的操作尺寸是32位的，想执行16位的。只需要添加反转操作数尺寸的前缀0x66即可。

我把说中说明的整理了一个表格，更容易看一些：

简单理解就是加了 0x66 反转前缀的指令，在16位下会被看成32位的执行，在32位下会被当做16位执行。

反转有效地址尺寸：前缀0x67则用来反转有效地址尺寸。

0x67就意味着将 [eax+0x02] 和 [bx+si+0x02] 进行反转。

编译时的操作尺寸

Bits指令：Bits是编译器提供的伪指令，用于通知编译器编译后面的指令时，默认操作尺寸，它的用法是在关键字 bits 的后面跟数字 16、32、64。
例如：

bits 16          ;16位模式，加方刮号也可以： [bits 16]
mov cx,dx        ;89 D1
mov eax,ebx      ;66 89 D8

bits 32          ;32位模式
mov cx,dx        ;66 89 D1
mov eax,ebx      ;89 D8 

最后，如果没有指定指令编译时的处理器默认操作尺寸，则默认是“bits 16”的。

清空流水线并串行化处理器

安装代码段描述符：将代码段描述符指向主引导程序所在的区域。

;创建#2描述符，保护模式下的代码段描述符
mov dword [bx+0x10],0x7c0001ff
mov dword [bx+0x14],0x00409800

• 线性基地址为0x00007C00；
• 段界限为0x001EE，粒度为字节(G=0)，该段的长度为512字节；
• 属于存储器的段(s=1)；
• 默认的操作尺寸是32位的(D=1)；
• 该段目前位于内存中(P=1)；
• 段的特权级为0(DPL=00)；
• 这是一个只能执行的代码段(TYPE=1000)

加载全局描述符表寄存器GDTR：长度较上章加8，因为多了一个代码段描述符。

;初始化描述符表寄存器GDTR
mov word [cs: gdt_size+0x7c00],23  ;描述符表的界限（总字节数减一）
lgdt [cs: gdt_size+0x7c00]

进行远转移：进入保护模式，进行一个远转移。

;以下进入保护模式... ...
jmp 0000000000010_0_00B:flush    ;相当于jmp 0x0010:flush

• 描述符索引：2，用来选择2号描述符。
• 表指示器位TI：0，指向GDT。
• 请求特权级RPL：0，最高特权级。
  这条远转移指令执行时，处理器加载段选择器CS，从GDT中取出相应的描述符加载到CS描述符高速缓存器，此时描述符高速缓存里的内容：
• 基地址为0x00007C00；
• 段界限为0x1FF；
• 长度为0x200；
• 默认操作尺寸为32位。

flush标号表示在相对于段起始处的一段距离，用作段内偏移量（有效地址）。

使用伪指令bits 32：使用jmp后，CS描述符高速缓存器的D位为1，默认操作尺寸为32位，所以后面的指令也需要按照32位操作尺寸编译。

;jmp后增加微指令
bits 32

清空流水线：执行jmp指令时，处理器会清空流水线，重新按指令的自然顺序执行。

显示字符：把数据段选择子0x0008加载到数据段DS选择器，而后通过默认的段选择器可以更加方便显示字符。

CS不能用mov改变：在保护模式下，不允许使用mov指令改变段寄存器CS的内容，比如：mov cs,ax。

有效地址尺寸和内存访问

段界限：每当一条指令访问内存时，处理器会用指令中的有效地址和这个界限值进行比较，如果超出这个界限值，就会被处理器阻止。

例如：

mov ax,0x2000
mov ds,ax            ; 数据段寄存器的内容是0x2000
; 在执行了段寄存器DS的传送指令后，
; 用调试命令sreg显示各个段寄存器的内容，可以发现，
; 在实模式下，段寄存器DS的内容是0x2000，
; 描述符高速缓存器里的基地址是0x20000，段界限是默认值0x0000ffff。

mov eax,0xffff       ; 
mov dl,[eax]         ; 只访问1个字节，正常
mov edx,[eax]        ; 访问4个字节，越界报错。

cli
hlt

times 510-($-$$) db 0
db 0x55,0xaa

• 在实模式下，处理器将段界限预置成0xFFFF；
• 在保护模式下，段描述符高速缓存器里的段界限不是处理器预置的，而是来自段描述符。

通过Bochs查看ds信息：

实模式下访问全部4GB内存的方法：先从实模式进入保护模式，为段寄存器（比如DS）选择一个基地址部分高于1MB的段描述符，然后从保护模式退回到实模式，就可以利用段寄存器中的残留内容来访问超过1MB以上的内存。

一般指令在32位操作尺寸下的扩展

由于32位的处理器都拥有32位的寄存器和算术逻辑部件，而且同内存芯片之间的数据通路至少是32位的，因此，所有以寄存器或者内存单元为操作数的指令都被扩充，以适应32位的算术逻辑操作。

加法指令add：在32位处理器上，除了允许8位或者16位的操作数，32位的操作数现在也是可用的：

add al,bl    
add ax,bx
add eax,ebx                  ;32位操作数
add dword [ecx],0x0000005f   ;32位立即数

单操作数指令：除了双操作数指令，单操作数指令也同样允许32位操作数，比如：

inc al
inc dword [0x2000]
dec dword [eax*2]    ;32位操作数

逻辑移动指令：

shl eax,1    ;32位操作数
shl eax,9    ;32位操作数

; 逻辑移动指令的源操作数如果是
寄存器的话，则依然必须使用CL。
; 32位处理器在实际执行时，要先将源操作数（在寄存器CL内）同0x1F做逻辑与。
; 也就是说，仅保留源操作数的低5位，因此，实际移动的次数最大为31。
shl dword [eax*2+0x08],cl 

为什么最大的移动次数是31位？

因为 0x1F 二进制表示为 0001_1111B，
cl & 0001_1111B 只会保留最后5位。
最大就只能是：0010_0000B - 1B = 2^5-1 = 31 

循环次数：

• 默认操作尺寸是16位的，loop指令的循环次数在寄存器CX中；
• 默认操作尺寸是32位的，则使用的是寄存器ECX；

乘法指令mul：

;16位处理器上
mul r/m8        ;AX <- AL*r/m8，
mul r/m16       ;DX:AX <- AX*r/m16，高位存储在DX，低位存储在AX
;32位处理器上
mul r/m32       ;EDX:EAX <- EAX*r/m32，高位存储在EDX，低位存储在EAX

有符号数乘法指令imul与此相同。

除法指令div：无符号数和有符号数除法也做了32位扩展。

div r/m32 
idiv r/m32

• 被除数是64位的，高32位在寄存器EDX；低32位在寄存器EAX。
• 除数是32位的，位于32位的寄存器，或者存放有32位实际操作数的内存地址。
• 指令执行后，32位的商在寄存器EAX，32位的余数在寄存器EDX。

push和pop：允许压入双字（32位）操作数。

push imm8    ;立即压入8位操作数，操作码是6A
push imm16   ;立即压入16位操作数，操作码是68
push imm32   ;立即压入32位操作数，操作码是68

压入字节：用byte修饰。

push byte 0x55 ;16位和32位机器码都是：6A 55
               ;  16位：压入0x0055，(SP)-2
               ;  32位：压入0x00000055，(ESP)-4

压入字：用word修饰。

push word 0xfffb ;被看成有符号数。
                 ; 16位：压入0xfffb
                 ; 32位：压入0xfffffffb

压入双字：用dword修饰。

push dword 0xfb ;16位和32位均压入0x000000FB
                ;栈指针（SP或ESP）都先减去4

操作数位于通用寄存器或内存单元：对于实际操作数位于通用寄存器，或者位于内存单元的情况，只能压入字或者双字。

push r/m16    ;16位寄存器或者内存地址
push r/m32    ;32位寄存器或者内存地址

例如：

;寄存器，则可以使用16位或者32位的通用寄存器。
push ax    ;16位寄存器，字
push edx   ;32位寄存器，双字

;内存，关键词word或者dword修饰。
push word [0x2000]            ;字
push dword [ecx+esi*2+0x02]   ;双字

无论是在内存还是寄存器中，

• 在16位模式下，如果压入的是字操作数，那么先将SP的内容减去2；如果压入的是双字，应当先将SP的内容减去4。
• 在32位模式下，如果压入的是字操作数，那么先将ESP的内容减去2；如果压入的是双字，应当先将ESP的内容减去4。

压入段寄存器：压入段寄存器的操作比较特殊，以下是压入段寄存器的push指令格式。

push cs    ;机器指令位0E
push ds    ;机器指令位1E
push es    ;机器指令位06
push fs    ;机器指令位0F A0
push gs    ;机器指令位0F A8
push ss    ;机器指令位16

• 在16位模式下，先将SP的内容减去2，然后直接压入段寄存器的内容；
• 在32位模式下，要先将段寄存器的内容用零扩展到32位，即高16位为全零，然后，将ESP的内容减去4，再压入扩展后的32位值。

本章习题

第1题：

第2题：

如果是按照32位操作数的写法，按照32位编译，那么 mov ebx,16 会多出16位高位部分，按照32位执行就没有问题。

现在是16位操作数尺寸的写法，按照16位进行编译，按照32位执行，所以当执行到 BB 这条指令的时候会把指令当成是32位的，会把BB指令后面32位的数字当做立即数，即1000F7E3，就是将后面F7E3指令当成是立即数的部分了。

书上没有给出答案，我尝试在文心一言问了一下，意思应该是一样的，关键句：隐式的扩展到32位操作。