3. 解开 64 位模式下 operand size 的迷惑

mik

在 64 位模式下（CS.L = 1 & CS.D = 0）情况稍有些特殊，大部分指令的 default operand size 都是 32 位的，但是有一部分指令的 default operand size 是 64 位的。可是 default address size 是 64 位的。

这里主要探讨什么类型的指令是 64 位的？为什么在 64 位下，default operand size 却是 32 位？为什么需要这样设计？

1. 什么类型指令的 default operand size 是 64 位

有两类指令的 default operand size 是 64 位的，它们是基于：

• rip（ip/eip）或者说：指令指针（Instruction Pointer）
• rsp（sp/esp）或者说：栈指针（Stack Pointer）

第 1 类是基于 rip（instruction pointer）的分支转移指令（near branches 类指令），这类指令的 immediate 操作数是基于 rip 的偏移量。第 2 类是基于 rsp（stack pointer）的栈操作指令，它们是 push/pop 类指令。

对于 defalut operand size 为 64 位的指令，它的指令编码中并不需要 REX.W = 1

1.1 Near branches 类指令

这类指令的操作数是 immediate，这个 immediate 是基于 rip 的偏移量，分支指令中的 immediate 操作数包含 Ib 与 Iz

关于 immediate 有关的描述，请参见：http://www.mouseos.com/x64/doc9.html 以及: http://www.mouseos.com/x64/puzzle02.html

上面这类基于 rip 的 near branches 指令的 default operand size 是 64 位的。，一部分有 Ib 和 Iz 两个版本，一部分只有其中一个属性。

这为指令的进行的操作是：

这个 offset 就是指令中的 immediate 操作数，它是个 signed 值，这个 offset 无论是 Ib 属性还是 Iz 属性，它们都会符号扩展到 64 位，然后加上当前的 rip（指令指针），这类指令的 operand size 是 rip 宽度（64 位）

但是：对于 JMP 指令中 Opcode 为 FF /4 的情况有些例外，这个 Opcode 的操作数并不是基于 rip 的 offset（immediate），rip = reg64 或 rip = [mem64]，它的 deafult operand size 同样是 64 位的。它的 operand size 只有 16 和 64 位

1.2 基于 rsp 的栈操作指令

这类指令将显式或隐式地对 stack 进行相关的操作，它们包括：

这类指令的 default operand size 也是 64 位，可以被 override 为 16 位。

1.3 far branches 指令

然而对于远跳转指令来说，它的 default operand size 依然是 32 或 48 位 far pointer（16:16 或 16:32）

在 64 位模式下有效的 far branches 指令有：

这类指令的 operand size 是 32 位（16:16）或者 48 位（16:32）

2. operand size override 情况

上面 2 类指令的 default operand size 是 64 位，但是最终的 operand size 还是需要取决是否 operand size override

当对上述的指令进行 operand size override 时，情况会是怎样呢？下面看看几个例子

2.1 对 near branches 指令进行 operand size override

在上面的代码中，其中有一条指令将 operand size 设为 word，从而进行了 operand size override 操作，下面是 nasm 编译器的结果：

可以看出，在未 override 情况下，指令的 immediate 是 dword（32 位），而使用了 66H prefix 进行 override 后，指令的 immediate 变成了 word（16 位）

经过 operand size override 后指令的 immediate 变成了 16 位。

rip 将被截断为 16 位，致使指令最终的 operand size 是 16 位的。

2.2 对 rsp 相关类指令进行 operand size override

上面代码中同样将 32 位的 immediate 调整为 16 位，nasm 编译结果为：

和 2.1 中同样的结果，使用了 66H prefix 将 32 位的 immediate 调整为 16 位。 指令的 operand size 也变为 16 位。

实际上这里修改了 stack pointer 的宽度，由原来 64 位的 rsp 变成了 16 位的 sp，因此经过 operand size override，指令执行后将向栈压入 16 位的值，并且 rsp 加上 2

• rsp = rsp - 2
• [rsp] = 0x3344