16位模式下的操作数大小前缀

Question

我将尝试解释GAS在使用.code16时的行为。

根据手册，当处于16位模式下使用32位操作数或指令时，指令编码会产生一个66H操作数前缀。这是否意味着

.code16
movw %eax, %ebx

这种模式是否合法？那么这段代码不能在16位处理器上运行吗？

- Oxdeadbeef

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这是不合法的，因为 w 后缀表示 2 字节移动。movl %eax,%eax 是合法的。 - fuz

Answer 1

从80386开始，我们可以使用operandsize-和addresssize-覆盖前缀。这些前缀可以与16位地址模式和32位地址模式配合使用。

此外，它还可以用于实地址模式、保护模式和虚拟86模式。这些前缀会反转代码段中一个指令的默认操作数大小和/或地址大小。默认的操作数大小和地址大小由代码段描述符中的D标志指定（如果没有GDT / LDT，则在BIOS的POST过程完成后我们变成16位地址模式）。

在16位地址模式下，如果我们想要使用32位操作数和/或32位地址，则必须添加这些前缀。如果没有这些前缀，我们只能在16位地址模式下使用16位地址/操作数。

在32位地址模式下，如果我们想要使用32位操作数和/或32位地址，则必须从代码中省略这些前缀。如果我们向我们的代码中添加这些前缀，则可以在32位地址模式下使用16位地址/操作数。

Intel：

指令前缀可用于覆盖代码段的默认操作数大小和地址大小。这些前缀可在实地址模式、保护模式和虚拟8086模式下使用。操作数大小或地址大小前缀仅在指令执行期间更改大小。

以下两个指令前缀允许在一个段内混合使用32位和16位操作：

• 操作数大小前缀（66H）
• 地址大小前缀（67H）

这些前缀会反转代码段描述符中D标志选择的默认大小。例如，处理器可以按照以下四种方式之一解释（MOV mem，reg）指令：

• 在32位代码段中：

  • 使用32位有效地址将32位从32位寄存器移动到内存。
  • 如果前面有操作数大小前缀，则使用32位有效地址将16位从16位寄存器移动到内存。
  • 如果前面有地址大小前缀，则使用16位有效地址将32位从32位寄存器移动到内存。
  • 如果前面同时有地址大小前缀和操作数大小前缀，则使用16位有效地址将16位从16位寄存器移动到内存。

• 在16位代码段中：

  • 使用16位有效地址，将16位寄存器中的内容移动到内存中。
  • 如果有操作数大小前缀，则使用16位有效地址将32位寄存器中的内容移动到内存中。
  • 如果有地址大小前缀，则使用32位有效地址将16位寄存器中的内容移动到内存中。
  • 如果有地址大小前缀和操作数大小前缀，则使用32位有效地址将32位寄存器中的内容移动到内存中。

  上述示例表明，任何指令都可以在16位或32位段中生成任何操作数大小和地址大小的组合。选择代码段的16位或32位默认值通常基于以下标准：

  • 性能 - 尽可能使用32位代码段。它们在P6系列处理器上比16位代码段运行得快得多，在早期的IA-32处理器上略快。
  • 代码段将要运行的操作系统 - 如果操作系统是16位操作系统，则可能不支持32位程序模块。
  • 操作模式 - 如果代码段被设计为在实地址模式、虚拟8086模式或SMM中运行，则必须是16位代码段。
  • 向后兼容早期的IA-32处理器 - 如果代码段必须能够在Intel 8086或Intel 286处理器上运行，则必须是16位代码段。

代码段描述符中的D标志确定了代码段指令的默认操作数大小和地址大小。（在实地址模式和虚拟8086模式中，不使用段描述符，则默认值为16位。）D标志被设置的代码段是32位代码段；清除D标志的代码段是16位代码段。

可执行代码段。该标志称为D标志，它指示该段中指令引用的有效地址和操作数的默认长度。如果标志设置，则假定32位地址和32位或8位操作数；如果清除，则假定16位地址和16位或8位操作数。指令前缀66H可用于选择除默认值之外的操作数大小，前缀67H可用于选择除默认值之外的地址大小。

32位操作数前缀可用于实地址模式程序中执行32位指令形式。此前缀还允许实地址模式程序使用处理器的32位通用寄存器。 32位地址前缀可用于实地址模式程序中，从而允许使用32位偏移量。

从Intel386处理器开始的IA-32处理器可以使用地址覆盖前缀生成32位偏移量；然而，在实地址模式下，32位偏移量的值不能超过FFFFH，否则会导致异常。

汇编语言使用:

如果定义了一个将在实地址模式下运行的代码段，必须将其设置为USE 16属性。如果在此代码段中的指令中使用32位操作数（例如MOV EAX, EBX），汇编器会自动生成一个操作数前缀，强制处理器执行32位操作，即使其默认的代码段属性是16位。

32位操作数前缀允许实地址模式程序使用32位通用寄存器（EAX、EBX、ECX、EDX、ESP、EBP、ESI和EDI）。

在32位模式下，在段寄存器和32位通用寄存器之间移动数据时，Pentium Pro处理器不需要使用16位操作数大小前缀；但是，某些汇编器需要此前缀。处理器假定通用寄存器的16个最低有效位为目标或源操作数。从段选择器到32位寄存器传输值时，处理器将寄存器的两个高位字节填充为零。

AMD:

3.3.2. 32位与16位地址和操作数大小

处理器可配置为32位或16位地址和操作数大小。在32位地址和操作数大小下，最大线性地址或段偏移量为FFFFFFFFH（2^32-1），操作数大小通常为8位或32位。在16位地址和操作数大小下，最大线性地址或段偏移量为FFFFH（2^16-1），操作数大小通常为8位或16位。

在使用32位寻址时，逻辑地址（或far指针）由16位段选择器和32位偏移量组成；在使用16位寻址时，它由16位段选择器和16位偏移量组成。指令前缀允许程序内临时覆盖默认的地址和/或操作数大小。

在保护模式下运行时，当前执行代码段的段描述符定义默认地址和操作数大小。段描述符是一个系统数据结构，通常对应用程序代码不可见。汇编指令允许为程序选择默认寻址和操作数大小。然后，汇编器和其他工具适当地设置代码段的段描述符。

在实地址模式下运行时，默认的寻址和操作数大小为16位。可以在实地址模式中使用地址大小覆盖来启用32位寻址；但是，最大允许的32位线性地址仍为000FFFFFH（2^20-1）。

3.6. 操作数大小和地址大小属性

当处理器在保护模式下执行时，每个代码段都有一个默认的 操作数大小 属性和 地址大小属性。这些属性是通过代码段的段描述符中的 D（默认大小）标志选择的（参见Intel架构软件开发人员手册第3卷第3章“保护模式内存管理”）。当设置了D标志时，将选择32位操作数大小和地址大小属性；当标志被清除时，则选择16位大小属性。当处理器在实地址模式、虚拟8086模式或SMM（系统管理模式）下执行时，默认的操作数大小和地址大小属性始终为16位。

操作数大小属性选择指令操作的操作数大小。当16位操作数大小属性生效时，操作数通常可以是8位或16位；当32位操作数大小属性生效时，操作数通常可以是8位或32位。

地址大小属性选择用于寻址内存的地址大小：16位或32位。当16位地址大小属性生效时，段偏移量和位移量为16位。此限制将可寻址的段大小限制为64KB。当32位地址大小属性生效时，段偏移量和位移量为32位，允许寻址高达4GB的段。

特定指令的 默认 操作数大小 属性和/或 地址大小 属性可以通过向指令添加 操作数大小 前缀和/或 地址大小前缀 来覆盖（参见Intel架构软件开发人员手册第3卷第2章“指令前缀”）。此前缀的效果仅适用于它附加到的指令。

表3-1显示了在保护模式下执行时（根据D标志和操作数大小和地址大小前缀的设置），有效的操作数大小和地址大小。

- Dirk Wolfgang Glomp