x86 machine code 初探 (0) - base register address mode

我從來沒想過會學習 machine code, 而且 x86 machine code 實在太複雜, 花了很多心力才有點進展。本來直接拿起 intel 那令人害怕的手冊硬 K, 果然不行, 有看沒有懂, 再看 ref 3, 還是看不懂。而在閱讀了 ref 1, 2 後, 我如獲至寶, 看懂之後再翻閱 ref 3, 終於有了進展。當能看懂時, 心中的興奮之情, 恐怕只有和我一樣在 machine code 裡頭掙扎的同好才能理解。

不過 x86 machine code 實在太複雜, 我並沒能搞懂所有格式。

為什麼要研究 machine code 呢？因為要改寫執行檔的位址, 做類似 dynamic loader/linker 的事情, 會看這篇文章的朋友, 難道你對於 dynamic loader/linker 的原理沒有興趣嗎? 不會想個方法來實驗這件事情嗎? Binary Hacks--駭客秘傳技巧一百招 #72 就在談這個。

不過我搞錯了, 想要做這件事情, 不需要理解 x86 machine code, elf 檔案格式把這些資訊都處理好了, 只需要解析 elf 檔案即可。這樣也好, 要不然 arm/elf 再來一次, 我可受不了。

讓我們從 intel memory address 開始。intel 著名的 segmentation memory address, 將記憶體位址分為 segment part, offset part, 本文章重點擺在 offset part。而台灣翻譯的基底/索引定址法 (中國的翻譯則是 ...) 則為 base/index。

offset part 有三個欄位:

1. base register
2. index register multiplied 1, 2, 4, 8 (1, 2, 4, 8 被稱為 scale factor)
3. displacement

base + index * scale + displacement = offset part
ex:
at&t syntax add 0x12345678(%eax, %esi, 4), %esi
intel syntax add esi, [eax+esi*4+0x12345678]

本篇文章大量參考 Programming THE 80386 (instruction encoding - p59):


這是 1987 年的書 (我寫這篇文章的時間是 20130612), 在電腦界這麼快速更新的時代, 照理說應該是過期的書籍, 不過由於相容性的緣故, 裡頭提到的東西到現在都還是可以用的, 而且簡單不少 (也沒有  64 bit mode), intel 手冊已經變得又厚又硬難以閱讀, 而這本書講的比較好理解。有些術語和最新的 intel 手冊有些不同, 不過不影響理解。

之前在閱讀 IBM 80X86 組合語言實務被其複雜的定址模式搞得我好亂, 現在一次把它搞懂。這些複雜的 address mode 是針對 offset part 而來, 大概就是 base register 和 index register mode 這兩種比較複雜。而 16 bit 和 32 bit 又有點不同, 64 bit 沒研究, 就不提了。

16 bit 和 32 bit 可用來當 base/index register 的暫存器有些不同。為什麼呢？讀懂 machine code 就可以回答這問題。

x86 machine code 順序, 後面的數字是 byte 數目:

1. prefix 0-4
2. opcode 1-2
3. modrm 0-2
4. displacement 0-4
5. immediate 0-4

這是這本書的解釋, 和目前的 intel 手冊有些不同, 目前的 intel 手冊把 modrm 分為 modrm + sib, 不過沒關係, 原則都是一樣的。我建議先看過 ref 1, ref 2 再看這篇, 如果真的沒時間至少也要看過 ref 2, 因為他們提到的東西, 我不會特別說明, 請花點時間看, 若你真想理解這玩意, 應該有覺悟要佔去你不少休閒時間。

address_mode.S

1 # practice x86 machine code
2 .code16
3 #.code32
4 .text
5 .global begin
6 begin:
7   add (%bx), %ax

看看 L7 的組語, 這使用了 base register address mode。

objdump -d -m i8086 address_mode.elf

1 descent@w-linux:x86_machine_code$ objdump -d -m i8086 address_mode.elf 
2 
3 address_mode.elf:     file format elf32-i386
4 
5 
6 Disassembly of section .text:
7 
8 00000100 <_text>:
9  100:   03 07                   add    (%bx),%ax

由於 intel cpu 有 16/32/64 bit mode, 所以我們得選擇要讓組譯器用那種 bit mode 來翻譯出 machine code, 這個例子是  16 bit (ref address_mode.S L2, L3)。

03 07 是 machine code, 對應到 opcode modrm 這兩欄, 沒有 prefix, displacement, immediate 這些部份。

來看看 add 的 opcode: http://css.csail.mit.edu/6.858/2011/readings/i386/ADD.htm

有好幾個, 看以下這個:

03 /r     ADD r16,r/m16        2/6      Add r/m word to word register
clock 那欄我看不懂, 有請大大解惑。
所以 03 是 opcode, 03 搞定, 那 07 是什麼?

07 是 modrm 這欄, 再細分解為 2:3:3 欄位,
0000 0111 -> 00 000 111
mod: 00
reg: 000
r/m: 111

把 mod, r/m 拿來查表。

mod = 00 時的對照表 (16 bit)

Effective Address	r/m
[BX+SI]	000
[BX+DI]	001
[BP+SI]	010
[BP+DI]	011
[SI]	100
[DI]	101
disp16	110
[BX]	111

得到 [BX], 這是 base register address mode

reg: 000 代表 ax register

register table

REG	Register
000	EAX/AX
001	ECX/CX
010	EDX/DX
011	EBX/BX
100	ESP/SP
101	EBP/BP
110	ESI/SI
111	EDI/DI

得到 add ax, [bx] (intel syntax), 恭喜, 終於看懂 machine code 了。但是要從 add ax, [bx] 得到 03 07 就比較難了。

這在 intel 術語稱為: one-byte address mode encoding。

這篇好像有點長了, 不過打鐵趁熱, 來看看 prefix 的例子。

address_mode1.S

1 # practice x86 machine code
2 .code16
3 #.code32
4 .text
5 .global begin
6 begin:
7   add (%bx), %eax

和 address_mode.S 的差別僅在 %eax, %ax 改成 %eax。我一直被 16 bit 程式碼可以使用 32 bit register 所疑惑, 這樣的程式碼倒底是 16 bit 還是 32 bit? 當然是 16 bit, 那你和我覺得疑惑可以使用 32 bit register 嗎？讓我們透過 prefix 解除這疑惑。

objdump -d -m i8086 address_mode.elf

1 descent@w-linux:x86_machine_code$ objdump -d -m i8086 address_mode.elf 
2 
3 address_mode.elf:     file format elf32-i386
4 
5 
6 Disassembly of section .text:
7 
8 00000100 <_text>:
9  100:   66 03 07                   add    (%bx),%eax

machine code 則多了一個 66, 這就是 prefix, 用來切換 operand size, 這裡的例子是從 16 bit 切換成 32 bit, 本程式執行在 16 bit 下, 而 %eax 是 32 bit operand, 所以要加上 prefix 0x66, 就這麼簡單。

想想看:
什麼是 32 bit 執行環境?
A: ...

若在 32 bit 執行環境執行這個 machine code 又是什麼意思？
A:

.code32
.text
.global begin
begin:
  add (%edi), %ax

很有意思吧, x86 就是這麼討厭又讓人喜愛。

好用的組譯器:http://radare.org/y/?p=examples&f=rasm 玩 machine code 的朋友一定要試試。

某聚會上我的分享, 就是以這篇為主。


ref:

1. x86/x64 指令编码内幕（适用于 AMD/Intel）: http://www.mouseos.com/x64/index.html
2. 学习 OpCode: http://www.luocong.com/learningopcode.htm
3. Programming THE 80386
4. http://ref.x86asm.net/coder32.html
XED2 User Guide (intel 提供的方便工具 by ptt merckhung): https://software.intel.com/sites/landingpage/pintool/docs/56759/Xed/html/main.html