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x86 汎用命令のModRMバイト

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この記事は2019年に書かれたもので、情報として残しておくためにObsidianに移したものです。現在は64bitのOSが主流なので、ここに書かれている内容は時代遅れかもしれません。

x86の汎用命令はオペコードに続き、場合によってはオペランドを決定するModR/Mバイトが付加されます。ModR/Mバイトはmod , reg/opcode , r/m フィールドから構成され、

  • mod フィールドは r/m のアドレス指定モードを決定
  • reg/opcode フィールドはオペランドのうち、レジスタ側を決定
  • r/m フィールドはオペランドのうち、レジスタ/メモリ側を決定

します。また、mod , r/m フィールドの指定によっては追加のSIBバイトとディスプレースメントバイト(1または4バイト)がつくことがあります。

図示すると、おおよそ以下の様になります。

mod   reg   r/m   scale index base     disp
+----+-----+-----+ +----+-----+-----+ +-------
| XX | XXX | XXX | | XX | XXX | XXX | | ...
+----+-----+-----+ +----+-----+-----+ +-------

reg/opcode, r/m, base, indexフィールドのレジスタ指定

reg/opcode , r/m , base , index フィールドのビットに対するレジスタは次の様になります。

reg     r/m        base    index
+-----+--------+--------+ +-------+--------+
| 000 | %eax   | %eax   | | %eax  | %eax   |
| 001 | %ecx   | %ecx   | | %ecx  | %ecx   |
| 010 | %edx   | %edx   | | %edx  | %edx   |
| 011 | %ebx   | %ebx   | | %ebx  | %ebx   |
| 100 | %esp   | %esp*2 | | %esp  | %eiz*4 |
| 101 | %ebp*1 | %ebp   | |    *3 | %ebp   |
| 110 | %esi   | %esi   | | %esi  | %esi   |
| 111 | %edi   | %edi   | | %edi  | %edi   |
+-----+--------+--------+ +-------+--------+
  1. mod = 0b00 のときは、%ebp レジスタの代わりに disp32 (ディスプレースメントだけ)になります。
  2. mod = 0b11 以外のとき、%esp レジスタ/メモリの代わりにSIBバイトで指定したレジスタ/メモリになります。
  3. %ebp レジスタの代わりに指定なしになり、ベースが 0 として扱われます。
  4. %esp レジスタの代わりにゼロレジスタである %eiz になり、インデックスが 0 として扱われます。

指定モード

レジスタ-レジスタ指定 (mod = 0b11)

mod = 0b11 のときはソースもデスティネーションもレジスタになります。r/m = 0b101 のときはSIBバイトが付加されますが、 mod = 0b11 はそれに優先します。

mod   reg   r/m
+----+-----+-----+
| 11 | 000 | 000 | -> %eax, %eax
| 11 | 000 | 100 | -> %eax, %esp
+----+-----+-----+

レジスタ-メモリ指定 (mod = 0b00, 0b01, 0b10 | r/m != 0b100)

このときは、 r/m または base フィールドで指定したレジスタにディスプレースメントを加えた実効アドレス指定になります。

  • mod = 0b00 のときは、ディスプレースメントなし
    • ただし、 r/m = 0b101 のときは、32bitディスプレースメントのみを指定
  • mod = 0b01 のときは、8bitディスプレースメント
  • mod = 0b10 のときは、32bitディスプレースメント
mod   reg   r/m
+----+-----+-----+
| 00 | 000 | 000 |       -> %eax, (%eax)
| 01 | 000 | 000 | +(1B) -> %eax, disp8(%eax)
| 10 | 000 | 000 | +(4B) -> %eax, disp32(%eax)
| 00 | 000 | 101 | +(4B) -> %eax, disp32
| 01 | 000 | 101 | +(1B) -> %eax, disp8(%ebp)
| 10 | 000 | 101 | +(4B) -> %eax, disp32(%ebp)
+----+-----+-----+

レジスタ-メモリ指定2 (mod = 0b00, 0b01, 0b10 | r/m = 0b100)

r/m = 0b100 のときは、 %esp レジスタの代わりにSIBバイトで base + index * scale のアドレス指定になります。スケールの値はscale フィールドで指定されている値に対して1 << scale で求められます。

mod   reg   r/m   scale index base
+----+-----+-----+ +----+-----+-----+
| 00 | 000 | 100 | | 00 | 000 | 000 |       -> %eax, (%eax, %eax, 1)
| 00 | 000 | 100 | | 01 | 000 | 100 |       -> %eax, (%esp, %eax, 2)
| 00 | 000 | 100 | | 10 | 000 | 101 | +(4B) -> %eax, disp32(, %eax, 4)
| 00 | 000 | 100 | | 00 | 100 | 101 | +(4B) -> %eax, disp32(, %eiz, 1)
| 01 | 000 | 100 | | 11 | 000 | 101 | +(1B) -> %eax, disp8(%ebp, %eax, 8)
| 00 | 000 | 100 | | 00 | 100 | 000 |       -> %eax, (%eax, %eiz, 1)
| 00 | 000 | 100 | | 00 | 101 | 000 |       -> %eax, (%eax, %ebp, 1)
| 01 | 000 | 100 | | 00 | 101 | 101 | +(1B) -> %eax, disp8(%ebp, %ebp, 1)
+----+-----+-----+ +----+-----+-----+
  • オペランド %eax, (%esp) の様に %esp がアドレス指定だとSIBバイトでの指定が必須になります
    • 0b00000100, 0b00100100 = %eax, (%esp, %eiz, 1) = %eax, (%esp)
  • r/m = 0b101 と同じ扱いが base フィールドにも適用されます
    • base = 0b101 のとき、ベースはなし( 0 扱い)になり32bitディスプレースメントを指定します
  • SIBバイトあり・なしで動作が変わらないオペコードを生成することもできます
    • 0b00000001 = %eax, (%ecx)
    • 0b00000100, 0b00100001 = %eax, (%ecx, %eiz, 1)

オペランドを出力するプログラム例

REG = ['%eax', '%ecx', '%edx', '%ebx', '%esp', '%ebp', '%esi', '%edi']
 
def print_operand(code):
	mrm = code[0]
	mod, reg, mem = (mrm >> 6) & 0x03, (mrm >> 3) & 0x07, (mrm >> 0) & 0x07
	if mod == 0b11:
		return REG[reg], REG[mem]
	is_sib = mem == 0b100
	is_a32 = mod == 0b00 and mem == 0b101
	dst = '' if is_a32 else REG[mem]
	if is_sib:
		sib = code[1]
		scl, idx, bas = (sib >> 6) & 0x03, (sib >> 3) & 0x07, (sib >> 0) & 0x07
		is_a32 = mod == 0b00 and bas == 0b101
		dst = '{}, {}, {}'.format(
			'' if is_a32 else REG[bas],
			'%eiz' if idx == 0b100 else REG[idx],
			1 << scl
		)
	dbt = 4 if is_a32 or mod == 0b10 else mod
	dsp = int.from_bytes(code[is_sib + 1:is_sib + dbt + 1], byteorder='little')
	if dst:
		dst = '(' + dst + ')'
	return REG[reg], ('0x{:0{}x}'.format(dsp, dbt) if dbt else '') + dst
 
print(print_operand(bytes([0b11000000])))
print(print_operand(bytes([0b11000100])))
 
print(print_operand(bytes([0b00000000])))
print(print_operand(bytes([0b01000000, 0xff])))
print(print_operand(bytes([0b10000000, 0xef, 0xbe, 0xad, 0xde])))
print(print_operand(bytes([0b00000101, 0xef, 0xbe, 0xad, 0xde])))
print(print_operand(bytes([0b01000101, 0xff])))
print(print_operand(bytes([0b10000101, 0xef, 0xbe, 0xad, 0xde])))
 
print(print_operand(bytes([0b00000100, 0b00000000])))
print(print_operand(bytes([0b00000100, 0b01000100])))
print(print_operand(bytes([0b00000100, 0b10000101, 0xef, 0xbe, 0xad, 0xde])))
print(print_operand(bytes([0b00000100, 0b00100101, 0xef, 0xbe, 0xad, 0xde])))
print(print_operand(bytes([0b01000100, 0b11000101, 0xff])))
print(print_operand(bytes([0b00000100, 0b00100000])))
print(print_operand(bytes([0b00000100, 0b00101000])))
print(print_operand(bytes([0b01000100, 0b00101101, 0xff])))