x86 32位汇编代码是否适用于x86 64位汇编代码？

Question

所有x86 32位汇编代码是否都是有效的x86 64位汇编代码？

我一直在想32位汇编代码是否是64位汇编代码的子集，即每个32位汇编代码都可以在64位环境中运行？

我猜答案是肯定的，因为64位Windows能够执行32位程序，但是我看到64位处理器支持32位兼容模式？

如果不是，请提供一个小的例子，说明32位汇编代码无法转换为64位汇编代码，并解释64位处理器如何执行32位汇编代码。

- Shuzheng

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你需要使用兼容模式，对的。 - Jester

@Jester 是的，你可以混合使用它们：远跳转到一个32位选择器，然后运行32位代码，最后再远跳转到一个64位选择器。 - fuz

这并不是我对混合的定义...这意味着它们是分开的，而不是混合的 ;) - Jester

x86和x64架构的汇编语言有什么区别？ - phuclv

相关：x86 32位操作码在x86-x64中有所不同或完全被删除 - Peter Cordes

Answer 1

现代 x86 处理器有三种主要操作模式（此处描述简化）：

• 在 实模式 下，CPU 执行 16 位代码，页面和分段被禁用。您的代码中的内存地址指向物理地址，段寄存器的内容被移位并添加到地址以形成有效地址。
• 在 保护模式 下，CPU 根据 CS（代码段）寄存器中的段选择器执行 16 位或 32 位代码。分段被启用，页面可以（通常是）启用。程序可以通过远跳转到适当的段来在 16 位和 32 位代码之间切换。CPU 可以进入子模式 虚拟 8086 模式，以模拟从受保护模式操作系统内部的个别进程进入 实模式。
• 在 长模式 下，CPU 执行 64 位代码。分段被大多数禁用，页面被启用。CPU 可以进入子模式 兼容性模式，从而在为 长模式 编写的操作系统中执行 16 位和 32 位受保护模式代码。通过远跳转到具有相应位设置的 CS 选择器可进入 兼容性模式。无法使用 虚拟 8086 模式。

维基百科有一个很好的表格，列出了 x86-64 操作模式，包括遗留和实模式以及长模式的所有 3 个子模式。在主流 x86-64 操作系统下，引导 CPU 核心后，它们始终处于长模式，根据 32 位或 64 位用户空间切换不同的子模式。（不考虑系统管理模式中断...）

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那么 16 位、32 位和 64 位模式之间有什么区别呢？

16 位和 32 位模式基本相同，除了以下差异：

• 在16位模式下，默认的地址和操作数宽度为16位。分别使用0x67和0x66前缀可以将其更改为32位，适用于单个指令。在32位模式下，则相反。
• 在16位模式下，指令指针被截断为16位，跳转到高于65536的地址可能会导致奇怪的结果。
• VEX / EVEX编码的指令（包括AVX、AVX2、BMI、BMI2和AVX512指令集）不会在实模式或虚拟8086模式中解码（尽管它们在16位保护模式中可用）。
• 16位模式比32位模式具有较少的寻址模式，但是如果需要，可以按每个指令覆盖到32位寻址模式。

现在，64位模式有一些不同。大多数指令的行为与32位模式类似，但有以下区别：

• 有八个名为r8、r9、...、r15的附加寄存器。每个寄存器都可以用作字节、字、双字或四字寄存器。 REX前缀系列（0x40至0x4f）编码操作数是新寄存器还是旧寄存器。 还提供了额外的八个SSE / AVX寄存器xmm8、xmm9、...、xmm15。
• 只能推送/弹出64位和16位量（虽然不应该使用后者），不能推送/弹出32位量。
• 单字节的 inc reg 和 dec reg 指令不可用，它们的指令空间已被重新分配给REX前缀。 两个字节的 inc r/m 和 dec r/m 仍然可用，因此可以编码 inc reg 和 dec reg 。
• 存在新的指令指针相对寻址模式，使用了32位模式具有的2种冗余方式中长度较短的 [disp32] 绝对地址编码方式之一。
• 默认地址宽度为64位，可以通过0x67前缀选择32位地址宽度。16位寻址不可用。
• 默认操作数宽度为32位。可以通过0x66前缀选择16位宽度，可以通过适当的REX前缀独立选择64位宽度，无论使用哪个寄存器。
• 在需要REX前缀的指令中不能使用ah、bh、ch和dh。REX前缀会导致这些寄存器编号改为表示si、di、sp和bp寄存器的低8位。
• 将数据写入64位寄存器的低32位会清除高32位，从而避免乱序执行时出现错误依赖关系。(写入8或16位部分寄存器仍会与64位旧值合并。)
• 由于分段功能失效，分段覆盖语句无意义，只是空操作，除了fs和gs覆盖语句(0x64，0x65)，用于支持线程本地存储(TLS)。
• 此外，许多专门处理分段的指令不可用，包括:push/pop seg(除push/pop fs/gs外)、arpl、call far(只有0xff编码有效)、les、lds、jmp far(只有0xff编码有效)。
• 不支持处理十进制算术的指令，包括:daa, das, aaa, aas, aam, aad,
• 另外，以下指令不可用：bound（很少使用），pusha/popa（对于额外的寄存器没有用处），salc（未经记录）。
• 0x82指令作为0x80的别名是无效的。
• 在早期的amd64 CPU上，lahf和sahf不可用。

基本上就是这些了！

- fuz

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比我的回答更好！ - BeeOnRope

还有RIP寻址模式，这在16位或32位模式下不可用。 - phuclv

@LưuVĩnhPhúc 地址已解决！ - fuz

@PeterCordes 好的。再次查阅手册，VEX前缀在实模式和虚拟8086模式下确实是禁止使用的，但在16位保护模式下可以使用。 - fuz

啊，那很有道理，我没有考虑到它们在实模式和vm86模式下可能不同。谢谢你的检查！ - Peter Cordes

Answer 2

不，不是这样的。

尽管有很多重叠，但64位汇编代码并不是32位汇编代码的超集，因此32位汇编代码在64位模式下通常无效。

这适用于助记符汇编源代码（由汇编器汇编成二进制格式）以及二进制机器码格式本身。

这个问题详细介绍了被移除的指令，但也有许多编码形式的含义发生了改变。

例如，评论中的Jester给出了push eax在64位代码中无效的示例。根据这个参考，你可以看到32位push被标记为N.E.，意思是不可编码。在64位模式下，该编码用于表示push rax（一个8字节的push）。因此，相同的字节序列在32位模式和64位模式下具有不同的含义。

总体而言，您可以浏览该网站上的指令列表，并找到许多在64位模式下被列为无效或不可编码的指令。

如果不是这样，请提供一个32位汇编代码的小例子，它不能成为64位汇编代码，并解释64位处理器如何执行32位汇编代码。

如上所述，push eax就是一个例子。我认为缺失的是64位CPU支持直接运行32位二进制文件。它们并不通过机器语言级别上的32位和64位指令的兼容性来实现，而是通过具有32位模式的方式，其中解码器（尤其是）将指令流解释为32位x86而不是x86-64，以及用于运行64位指令的所谓长模式。当这样的64位芯片首次发布时，通常运行32位操作系统，这几乎意味着芯片永久处于此模式（永远不进入64位模式）。

最近，典型的做法是运行64位操作系统，该操作系统了解这些模式，并且在用户启动32位进程时将CPU置于32位模式下（这仍然非常常见：直到最近我的浏览器仍然是32位的）。

有关模式的所有详细信息和适当术语可以在fuz的答案中找到，这实际上是您应该阅读的答案。

- BeeOnRope