在64位Linux上从32位模式转换到64位模式（长模式）

Question

我的程序在32位模式下运行在x86_64 CPU上（64位操作系统，ubuntu 8.04）。是否可能在用户模式下临时切换到64位模式（长模式）？如果可以，如何实现？

背景故事：我正在编写一个与32位模式程序链接的库，因此它必须在开始时处于32位模式。但是，我想使用更快的x86_64指令以获得更好的性能。因此，我想在切换到64位模式后进行一些纯计算（没有操作系统交互；不需要64位寻址），然后在返回调用者之前回到32位。

我发现有一些相关但不同的问题。例如：

• 在64位程序中运行32位代码
• 在32位操作系统上运行64位代码

我的问题是“在32位程序、64位操作系统中运行64位代码”。

- kcwu

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Ffmpeg 根据 CPU 信息执行类似的操作。您可以构建具有相同功能但不同内部的单独模块，并根据 CPU 支持条件性地加载最佳模块。 - technosaurus

Answer 1

与其他答案相反，我认为原则上短答案是“是”。这可能没有得到任何官方支持，但它似乎可以工作。在本回答结束时，我会展示一个演示。

在Linux-x86_64上，32位进程（包括X32，根据GDB源代码）将CS寄存器设置为0x23——GDT中定义的32位ring 3代码段选择器（其基址为0）。64位进程会获得另一个选择器：0x33——长模式（即64位）ring 3代码段选择器（在64位模式下，对于ES、CS、SS、DS，基地址无条件地视为零）。因此，如果我们使用目标段选择器0x33进行远跳转、远调用或类似操作，我们将把相应的描述符加载到CS的影子部分，并最终进入64位段。

本回答底部的演示使用jmp far指令跳转到64位代码。请注意，我选择了一个特殊的常数加载到rax中，以便对于32位代码，该指令看起来像。

dec eax
mov eax, 0xfafafafa
ud2
cli ; these two are unnecessary, but leaving them here for fun :)
hlt

如果在CS阴影部分有32位描述符执行此操作，它必将失败（ud2指令将引发SIGILL）。

现在这里是演示（使用fasm编译它）。

format ELF executable
segment readable executable

SYS_EXIT_32BIT=1
SYS_EXIT_64BIT=60
SYS_WRITE=4
STDERR=2

entry $
    mov ax,cs
    cmp ax,0x23 ; 32 bit process on 64 bit kernel has this selector in CS
    jne kernelIs32Bit
    jmp 0x33:start64 ; switch to 64-bit segment
start64:
use64
    mov rax, qword 0xf4fa0b0ffafafafa ; would crash inside this if executed as 32 bit code
    xor rdi,rdi
    mov eax, SYS_EXIT_64BIT
    syscall
    ud2

use32
kernelIs32Bit:
    mov edx, msgLen
    mov ecx, msg
    mov ebx, STDERR
    mov eax, SYS_WRITE
    int 0x80
    dec ebx
    mov eax, SYS_EXIT_32BIT
    int 0x80
msg:
    db "Kernel appears to be 32 bit, can't jump to long mode segment",10
msgLen = $-msg

- Ruslan

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@LưuVĩnhPhúc，与32位内核不同，64位Windows使用与Linux相同的GDT布局（用于主系统描述符）。这似乎是由于“syscall”指令的要求所决定的。 - Ruslan

要返回到32位模式，请使用retf，并将jmp 0x33:替换为call 0x33:。 - Alcaro

你好，有 Windows 版本吗？ - blackshadow

在Windows上，跳转基本上是相同的（甚至选择器也是相同的）。但我没有看到有人开发完整的演示，我自己也没有。但请注意，如果您想从64位段执行系统调用，则将依赖于在Windows版本之间不同的系统调用号码。 - Ruslan

Answer 2

答案是否定的。仅仅因为你正在运行64位代码（假设是64位长度的数据类型，例如变量等），并不意味着你在32位系统上运行的是64位模式。编译器有解决方案来在32位机器上提供64位数据类型。例如，gcc具有无符号长整型和uin64_t，它们是x86和x86_64机器上的8位数据类型。由于这个原因，数据类型在x86和x86_64之间是可移植的。这并不意味着你在32位系统上获得了64位地址空间。这意味着编译器能够处理64位数据类型。你会遇到一些情况，无法在32位系统上运行某些64位代码。在这种情况下，你需要预处理指令，在x86_64上编译正确的64位代码，在x86上编译正确的32位代码。一个简单的例子是显式地需要不同的数据类型。在这种情况下，你可以提供一个预处理检查来确定主机计算机是64位还是32位：< / p>

#if defined(__LP64__) || defined(_LP64)
# define BUILD_64   1
#endif

你可以使用条件语句来编译正确的代码，例如：

#ifdef BUILD_64
    printf (" x : %ld,  hex: %lx,\nfmtbinstr_64 (d, 4, \"-\"): %s\n",
            d, d, fmtbinstr_64 (d, 4, "-"));
#else
    printf (" x : %lld,  hex: %llx,\nfmtbinstr_64 (d, 4, \"-\"): %s\n",
            d, d, fmtbinstr_64 (d, 4, "-"));
#endif

希望这为您提供了一个开始工作的起点。如果您有更具体的问题，请发布更多细节。

- David C. Rankin