Префиксы в системе команд IA-32

Сегодня я хочу рассказать вам о префиксах в системе команд Intel IA-32 в 32- и 64-битных вариантах (также именуемых как x86 и x86_64). Но для начала напомню вкратце общую структуру IA-32 инструкции:

• Префиксы. Могут отсутствовать. Может присутствовать сразу несколько.
• Опкод. Может состоять из одного, двух или трех байтов.
• Mod_R/M байт. Используется для адресации операндов. Может отсутствовать в кодировке, если инструкция не имеет явных операндов.
• SIB (Scale Index Base) байт. Второй байт, использующийся для адресации операндов в памяти. Может отсутствовать.
• Байт смещения адреса (англ. displacement). 1, 2, 4 или ни одного байта.
• Константа (англ. immediate). 1, 2, 4 или ни одного байта.

Более подробное описание структуры инструкции можно найти в статье «Дизассемблер своими руками» и, конечно же, в Intel 64 and IA-32 Architectures Software Development Manuals. В данной статью будет рассказываться об IA-32 префиксах, особенностях, связанных с их использованием, а также тенденций в их развитии.

Однобайтные префиксы

Практически с самых первых процессоров Intel в системе команд IA-32 начали использоваться однобайтные префиксы. О них уже было написано на Хабре, по этой причине я про них рассказывать не буду.

Обязательные префиксы

С появлением расширения SSE часть однобайтных префиксов, а именно 0xf2, 0xf3, 0x66 в некоторых случаях стали иметь смысл части опкода. Появились так называемые обязательные префиксы (англ. mandatory prefixes). Примеры таких инструкций приведены ниже.

Кодировка	Инструкция	Обязательный префикс
0x0f 0x10	MOVUPS	—
0xf2 0x0f 0x10	MOVSD	0xf2
0xf3 0x0f 0x10	MOVSS	0xf3
0x66 0x0f 0x10	MOVUPD	0x66

Не сложно заметить, что кодировки этих инструкций отличаются только префиксом. Опкод у них совпадает – 0x0f 0x10. При этом семантика у этих инструкций различна. Например, MOVSD копирует из одного операнда в другой 64 бита, а MOVUPD – 128 бит.

Префикс REX

В определенный момент появилась необходимость в поддержке 64-битного адресного пространства и расширения числа адресуемых регистров. С этой задачей успешно справились разработчики AMD, добавив префикс, названный REX. Данный префикс также является однобайтными, и имеет вид 0x4*. Его биты используются для расширения уже существующих полей, кодируемых в Mod_R/M байте, а также ширины операнда. На рисунке приведен пример использования REX префикса для адресации регистров.

Стоит отметить несколько особенностей, связанных с использованием этого префикса. Кодировка 0x4* соответствует префиксу только в 64-битном режиме, во всех остальных режимах она соответствует вариантам инструкций INC/DEC. Интересным свойством данного префикса является то, что он должен быть расположен непосредственно перед байтом опкода, в противном случае он игнорируется. Если REX префикс используется вместе с инструкцией требующей присутствия другого обязательного префикса, он должен быть расположен между этим префиксом и байтом кода операции.

Префикс VEX

С введением расширения AVX в системе команд IA-32 появился новый префикс, названный VEX. Он уже не однобайтный. Он может состоять либо из двух, либо из трех байт в зависимости от первого байта префикса. 0xc4 и 0xc5 соответственно.

Поля R, X, B, W несут тот же смысл, что и соответствующие поля REX префикса. Поле pp предоставляет функциональность, эквивалентную обязательным SIMD префиксам (например, b01 = 0x66). А поле m-mmmm может соответствовать целым двум байтам опкода (например, 0b00011 = 0x0f 0x3a). Поле L определяет длину вектора: 0 – 128 бит, 1 – 256 бит.

Использование VEX префикса предоставляет следующие преимущества:

• Поддержка до четырех операндов.
• Поддержка 128-битных XMM регистров и 256-битных YMM регистров.
• Сжатие кодировки уже введенных инструкций.
• Удаление необходимости использования REX префикса для адресации регистров общего назначения (R8 – R15), векторных регистров XMM8 – XMM15 (YMM8 – YMM15). VEX позволяет кодировать те же поля, что и REX, и, вдобавок, несколько новых.

Следуют отметить, что использование VEX префикса вместе с некоторыми однобайтными префиксами (0xf0, 0x66, 0xf2, 0xf3, REX) запрещено и приводит к исключению #UD.

Префикс EVEX

Не так давно Intel анонсировал появление нового расширения набора команд с названием AVX3 или AVX512. С появлением этого расширения также появился и новый префикс, получивший название EVEX. Его описание можно найти в Intel Architecture Instruction Set Extensions Programming Reference.

Он представляет собой усовершенствованный вариант VEX префикса, имеет длину уже в 4 байта и начинается с байта 0x62, который во всех режимах, кроме 64-битного соответствует инструкции BOUND, редко используемой в современных программах.

Приведу некоторые, на мой взгляд, интересные особенности EVEX префикса:

• Два бита для длины вектора – LL` – необходимые для поддержки векторов размером 128, 256 и 512 бит.
• Поддержка адресации новых 512-битных регистров ZMM8 — ZMM31.
• Поддержка регистров маски операндов (англ. opmask registers). Поле EVEX.aaa.
• EVEX.mm – эквивалент поля VEX.m-mmmm, но занимает два бита вместо пяти.

Заключение

В заключение хочется отметить некоторые причины появления столько сложной и, местами, не логичной системы команд. История развития системы команд Intel IA-32 начинается в 70-х годах прошлого столетия, когда ни о каких 64-битных режимах не было и речи. Кроме Intel существенный вклад в эволюцию IA-32 внесла компания AMD. Много усилий было потрачено на поддержание обратной совместимости между различными моделями процессоров. Множество интересных фактов, связанных с развитием архитектуры IA-32 можно найти в статье A. Fog’a.

Спасибо пользователю Atakua за комментарии к черновикам этой статьи.

P.S. Все иллюстрации взяты из Intel 64 and IA-32 Architectures Software Development Manuals.