Почему rbp и rsp называются регистрами общего назначения?

Согласно Intel в x64 следующие регистры называются регистрами общего назначения (RAX, RBX, RCX, RDX, RBP, RSI, RDI, RSP и R8-R15) https://software.intel.com/en-us/articles/introduction-to-x64-assembly.

В следующей статье написано, что RBP и RSP являются регистрами специального назначения (RBP указывают на базу текущего кадра стека, а RSP указывают на вершину текущего кадра стека). https://www.recurse.com/blog/7-understanding-c-by-learning-assembly

Теперь у меня есть два противоречивых утверждения. Заявление Intel должно быть доверенным, но что является правильным и почему RBP и RSP вообще называют универсальными?

Спасибо за любую помощь.

Источник

2 ответа

Решение

Общее назначение означает, что все эти регистры могут использоваться с любыми инструкциями, выполняющими вычисления с регистрами общего назначения, в то время как, например, вы не можете делать что хотите с указателем инструкций (RIP) или регистром флагов (RFLAGS).

Предполагалось, что некоторые из этих регистров будут использоваться для конкретного использования, и обычно используются. Наиболее важными из них являются RSP и RBP.

Если вам нужно использовать их для своих собственных целей, вы должны сохранить их содержимое, прежде чем хранить что-то внутри, и восстановить их первоначальное значение, когда это будет сделано.

Источник

Если регистр может быть операндом для add или используется в режиме адресации, это "общее назначение", в отличие от регистров, таких как FS сегментный регистр или RIP. Регистры GP также называются "целочисленными регистрами", хотя регистры других типов также могут содержать целые числа.

В компьютерной архитектуре процессоры обычно обрабатывают целочисленные регистры / инструкции отдельно от регистров / инструкций FP/SIMD. Например, процессоры семейства Intel Sandybridge имеют отдельные физические файлы регистров для переименования целочисленных GP или регистров FP/vector. Они просто называются целочисленными или регистровыми файлами FP. (Там, где FP - это сокращение от всего, что ядру не нужно сохранять / восстанавливать, чтобы использовать регистры GP, оставляя нетронутым состояние FPU/SIMD пользовательского пространства.) Каждая запись в файле регистров FP имеет ширину 256 бит (для удерживайте вектор AVX ymm), но записи в целочисленном регистре должны иметь ширину только 64 бита.

На процессорах, которые переименовывают регистры сегментов ( Skylake нет), я думаю, это будет частью целочисленного состояния, как и RFLAGS + RIP. Но когда мы говорим "регистр целых чисел", мы обычно имеем в виду именно регистр общего назначения.

Каждый регистр имеет некоторые особенности для некоторых инструкций, за исключением некоторых совершенно новых регистров, добавленных с x86-64: R8-R15. Они не дисквалифицируют их как общие цели (низкие 16 из) оригинальных 8 датируются 8086 годом, и было неявное использование каждого из них даже в оригинальном 8086.

Для RSP это специально для push/pop/call/ret, поэтому большая часть кода никогда не использует его ни для чего другого. (А в режиме ядра используется асинхронно для прерываний, так что вы действительно не можете спрятать его где-нибудь, чтобы получить дополнительный регистр GP, как вы можете в коде пользовательского пространства: является ли ESP универсальным, как EAX?)

Но в управляемых условных (как нет обработчиков сигналов) вам не нужно использовать RSP для указателя стека. Например, вы можете использовать его для чтения массива в цикле с помощью pop, как в этом коде-ответе. (Я на самом деле использовал esp в 32-битном коде, но такая же разница: pop быстрее чем lodsd на Skylake, в то время как оба по 1 байту.)

Неявное использование и особенность для каждого регистра:

См. Также сборку x86. Почему [e]bx сохраняется в соглашениях о вызовах? для частичного списка.

Я в основном ограничиваю это инструкциями пользовательского пространства, особенно теми, которые современный компилятор может фактически генерировать из кода C или C++. Я не пытаюсь быть исчерпывающим для регистров, которые имеют много скрытого использования.

  • rax: один операнд [i]mul / [i]div / cdq / cdqe, строковые инструкции (stos), cmpxchgи т. д. и т. д., а также специальные короткие кодировки для многих инструкций, таких как xchg -с Eax, где 0x90 nop пришел (прежде чем это стало отдельной инструкцией в x86-64, потому что xchg eax,eax ноль расширяет EAX в RAX и, следовательно, не может использовать 0x90 кодирование. Но xchg rax,rax все еще можно собрать до REX.W = 1 0x90.
  • rcx: число смен, rep -строка рассчитывает, медленный loop инструкция
  • rdx: rdx:rax используется для деления и умножения, и cwd / cdq / cqo для их настройки. rdtsc, BMI2 mulx,
  • rbx: 8086 xlatb, cpuid используйте все четыре из EAX..EDX. 486 cmpxchg8b x86-64 cmpxchg16b, Компиляторы будут излучать cmpxchg8 за std::atomic<long long>::compare_exchange_weak и 16b для atomic<struct_16_bytes>, RBX имеет наименьшее неявное использование оригинальных 8, но lock cmpxchg16b это один из немногих компиляторов, которые будут фактически использоваться.
  • rsi / rdi: string ops, в том числе rep movsb которые некоторые компиляторы иногда встроены. (GCC также inlines rep cmpsb для строковых литералов в некоторых случаях, но это, вероятно, не оптимально).
  • rbp: leave (только 1 моп медленнее, чем mov rsp, rbp / pop rbp, GCC фактически использует его в функциях с указателем кадра, когда он не может просто pop rbp). Также ужасно медленный enter который никто никогда не использует.

  • rsp: стек ops: push/pop / call/reg и leave, (А также enter).

  • r11: syscall / sysret используйте его для сохранения / восстановления RFLAGS пространства пользователя. (Наряду с RCX для сохранения / восстановления RIP пользовательского пространства).

Особые случаи кодирования в режиме адресации:

rbp / r13 не может быть базовым регистром без смещения: вместо этого эта кодировка означает: (в ModRM) rel32 (Относительно RIP) или (в SIB) disp32 без базового регистра. (r13 использует те же 3 бита в ModRM/SIB, поэтому этот выбор упрощает декодирование, поскольку не позволяет декодеру длины команды смотреть на бит REX.B для получения 4-го бита базового регистра). [r13] собирает в [r13 + disp8=0], [r13+rdx] собирает в [rdx+r13] (избежать проблемы путем замены базы / индекса, когда это возможно).

rsp / r12 в качестве базового регистра всегда нужен байт SIB. (Кодирование ModR/M base=RSP является escape-кодом для сигнализации байта SIB, и опять же, больше декодера должно заботиться о префиксе REX, если r12 был обработан по-другому).

rsp не может быть индексным регистром. Это позволяет кодировать [rsp], что более полезно, чем [rsp + rsp], (Intel могла бы разработать кодировки ModRM / SIB для 32-битных режимов адресации (впервые в 386), поэтому SIB без индекса был возможен только при base=ESP. [eax + esp*4] возможно и только исключает [esp + esp*1/2/4/8], Но это бесполезно, поэтому они упростили аппаратное обеспечение, сделав index=ESP кодом без индекса независимо от базы. Это позволяет использовать два избыточных способа кодирования любого режима адресации base или base+disp: с или без SIB.)

r12 может быть индексным регистром. В отличие от других случаев, это не влияет на декодирование длины команды. Кроме того, его нельзя обойти с помощью более длинной кодировки, как в других случаях. AMD хотела, чтобы регистр AMD64 был как можно более ортогональным, поэтому имеет смысл потратить несколько дополнительных транзисторов на проверку REX.X как часть декодирования индекса / без индекса. Например, [rsp + r12*4] требует index=r12, поэтому имея r12 не вполне общее назначение сделало бы AMD64 худшей целью компилятора.

   0:   41 8b 03                mov    eax,DWORD PTR [r11]
   3:   41 8b 04 24             mov    eax,DWORD PTR [r12]      # needs a SIB like RSP
   7:   41 8b 45 00             mov    eax,DWORD PTR [r13+0x0]  # needs a disp8 like RBP
   b:   41 8b 06                mov    eax,DWORD PTR [r14]
   e:   41 8b 07                mov    eax,DWORD PTR [r15]
  11:   43 8b 04 e3             mov    eax,DWORD PTR [r11+r12*8] # *can* be an index

Компиляторам нравится, когда все регистры могут использоваться для чего угодно, только ограничивая распределение регистров для нескольких особых случаев. Это то, что подразумевается под ортогональностью регистра.

Источник

Разыменование rbp может привести к ошибке #SS(сегмент стека).

Недавно у меня произошел сбой ядра Linux с "ошибкой сегмента стека".

crash> dmesg
[...]
stack segment: 0000 [#1] SMP
[...]
RIP: 0010:[<ffffffff8125fa8b>]  lock_get_status+0x9b/0x3b0
RSP: 0018:ffff89954a317d90  EFLAGS: 00010282
[...]
RBP: 800000fa8c251867 R08: 0000000000001000 R09: 000000000000ffff
[...]
crash> dis lock_get_status+0x9b
0xffffffff8125fa8b <lock_get_status+0x9b>:      mov    0x28(%rbp),%rax

Адрес памяти в rbp - это неканонический адрес. Это причина этой аварии. Из этого сбоя я узнал, что доступ к rbp неявно обращается к регистру сегмента ss, даже если rbp не используется в качестве базового указателя кадра стека.

Согласно Intel SDMv1 3.4.1 регистры общего назначения:

EBP - указатель на данные в стеке (в сегменте SS)

Источник
Другие вопросы по тегам