7. displacement 值

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  displacement 是 ModRM 地址寻址里的一部分，displacement 为 base 或 index 提供一个 offset 值。

  因此：在指令的编码中必须要提供 ModRM 字节，需要的时候还要提供 SIB 字节。

1、关于 displacement 的看法

（1）基于 ModRM 字节寻址的情况下，displacement 不是指令中的 immediate 部分

  例如指令：mov edx, dword ptr [0x08040400]

  它的指令编码是：8b 15 00 04 04 08

  这条指令的 displacement 虽然是嵌在 encode 中，但它不属于 immediate 的概念，它是需要通过 ModRM.r/m 的寻址。

（2）有一种情况下，绝对地址不需要 ModRM 字节进行寻址，这个地址值是 immediate 部分

指令：mov eax, dword ptr [0x08040400]

它的指令编码可以译为：a1 00 04 04 08 （当绝对地址与 eax/rax 寄存器之间的寻址，它可以使用这种编码方式）

在这种情况下，它不需要 ModRM 字节进行寻址，这个地址值是 immediate 概念。

当然，这条指令也可以译为：8b 05 00 04 04 08 （通过 ModRM 进行寻址），此时它就是 displacement 部分。

2、提供 displacement 的几个方式

由 ModRM.mod 来控制 displacement:

（1）提供绝对地址方式

上表是提供绝对地址寻址的两种方式。表格中的 XX/XXX 表示可以为任意值。

注意方式 1 中，提供的 [disp32] 是在 非 64 位模式下。

（2）为 base 提供一个 offset 值

可以提供 8 位和 32 位的 displacement 值。

表格中的 XX/XXX 表示该项为任意值，8 位和 32 位的 displacemnet 各有 2 种编码方式。

(3）为 index 提供一个 offset 值

ModRM 配合 SIB 寻址，这里 SIB.index ≠100 时，提供任意的 index 寄存器（除了 rsp 寄存器），可以为 index 提供一个 32 位的 displacement 值。

仅在这一种情况下才允许 index + base 寻址。

看下面的指令：

它的 encode 是： 48 8b 04 cd 0c 00 00 00

它使用的 [base + index * 8] 寻址模式，在 SIB.base = 101（即：base = rbp） 的情况下，base 此时为 disp32

上面的有几种寻址方式，是依据 x32/x64 的两大原则，详见：ModRM 与 SIB 设计上的 2 个原则

（4）给 rip 提供一个 displacement 值

仅在 64 位模式下，可以为 rip 提供一个 displacement 值

当在 64 位模式下，ModRM = 00-XXX-101 是 [rip + disp32] 寻址，这是 x64 体系中新增的一个寻址模式。

这种寻址模式很容易就得出 rip 值，如下指令：

编译器会译出：8d 05 00 00 00 00 -----> lea rax, [rip + 0x00000000]

3、 displacement 的符号位

 大部分情况下，displacement 是 signed（符号数），在绝对地址情况下，它是 unsigned（无符号数）

（1）displacement 是 signed（符号数）

  无论是为 base 还 index 提供一个 offset 值，此时 displacement 都是 singed（符号数），那么将会按 singed 的计算方式，计算结果。

  在这种情况下，当 displacement 是 disp8 时，它会被符号扩展到 address size（取决于 effective address size）

关于 effective address size 的详见：default（缺省）与 effective（有效）

（2） displacement 是 unsigned（无符号数）

  当 displacement 是绝对地址是，它是 unsigned（无符号数）。

  例如： mov edx, dword ptr [0x08040400] 此时 displacement 是一个 unsigned（无符号数）

4、displacement 的长度

在 16 位下 displacement 分为 8 位和 16 位，在 32 位下分为 8 位和 32 位，而在 64 位下同样只有 8 位和 32 位。

4.1、 displacement 的 signed-extended（符号扩展）

虽然有 8 位的 displacement，实际上，都会被 processor 进行 signed-extended 符号扩展到 address size

当 displacement size 是小于 address size 的，这个 displacement 就会被 singed-extended 到 address size

这个 address size 是指令当前的 address size，它取决于 effective address size。

★ 没有经过 address size override 的，address size 就是它的 default address size

★ 经过 address size override 后，address size 就等于 override 的 address size

关于 effective address size 的详见：default（缺省）与 effective（有效）

4.2、 x64 体系的 64 位下的 displacement

  64 位的 default address size 是 64 位，在没有 address size override 的，无论 disp8 还是 disp32 都会被扩展到 64 位地址上。

这里就产生了一些疑问，在 x86/x64 的指令格式中，displacement 是没有 64 位的。

★ 到度有没有 64 位的 displacement 呢？

★ 没有的话，怎么使用 64 位绝对地址呢？

★ 有的话，什么情况下才会出现 64 位的 displacement 呢？

  在 x64 体系的的编码中，确实没有 64 位 displacement 这回事，但是并不表示 64 位下不能使用 64 位的绝对地址。 这个 64 位的绝对地址并不是 displacement 的意思。

例子： mov rax, qword ptr [0xffff800008040400]

  这条指令是正确的，而且它使用了 64 位的绝对地址。

  它的 encode 是：48 a1 00 04 04 08 00 08 ff ff

  这条指令的 Opcode 是 a1，指令形式为：MOV rAX, Ov

  second operand 是 O 表示它将是一个直接的地址形式，这个 operand 是允许使用 64 位的绝对地址，而不需要 ModRM 寻址。

  在这里地址值 [0xffff800008040400] 它是以 immedeate 值形式嵌在 encode 中，它属于 immediate 部分,而非 displacement 值。

同样，指令：mov qword ptr [0xffff800008040400], rax 也是正确的

  它的 encode 是：48 a3 00 04 04 08 00 08 ff ff

另一个例子是：mov rcx, qword ptr [0xffff800008040400]

  这条指令是错误的，它不可能产生 encode，opcode a1 是仅仅对 rax 寄存器可用，因此：只有 rax 寄存器才能使用 64 位的绝对地址值。

4.3、 Opcode a1 和 a3 可以使用 64 位绝对地址的本质

  这两个 Opcode 的 operand 嵌入 encode 中，它不依赖于 ModRM 寻址。 在这种情况下，可以设计使用 64 位的地址值（immediate）。

因此：

  设计使用 64 位地址的前提条件必须是： operand 不依赖于 ModRM 寻址，换句说说：operand 是嵌在 Opcode 里的。

4.4、 不能使用 64 位 displacement 的本质

  我们来看一看，是什么原因限制了 64 位 displacement 的使用。

例子： mov qword ptr [rax + rcx * 8 + 0x11223344], 0x12345678

  这个例子是前面多次提到过，它的 encode 是：48 c7 84 c8 44 33 22 11 78 56 34 12 (共 12 个 bytes）

  可以看出，限制 64 位 displacement 使用的原因就是：指令长度的限制

  由于 x86/x64 的指令长度限制 15 bytes， 如果上面这条指令可以使用 64 位 displacement 的话，指令长度超过了 15 bytes。

因此：

  使用 64 位 displacement 第 2 个前提条件是：指令长度不能超过 15 bytes

4.5、 operand 类型为 O （直接地址值，不依赖于 ModRM 寻址）的最终设计前提就是前面所说的两个条件:

★ operand 不依赖于 ModRM 寻址，换句说说：operand 是嵌在 Opcode 里的。

★ 指令长度不能超过 15 bytes

那么：能不能为 x64 体系扩展指令格式为更长的格式呢？

  显然，x64 体系设计者们没有采取这种方式，出于兼容的大提前下，是不可能有这种考虑的。

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mik（deng zhi）写于 2008-11-26 15:40