x64 の 64 ビットモードのエンコーディング概略

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x64 の 64 ビットモードのエンコーディング概略

    @tenpoku1000
    2018/10/15 作成, 2020/08/18 最終更新

1. 命令の方向

初歩的な命令の場合：
ニーモニック  ディスティネーション・オペランド, ソース・オペランド

例：
mov eax, 5

1.1. 方向(d)ビット

          整数命令：d ビットは 1 バイト・プライマリ・オペコードのビット 1(0 origin)
x87 浮動小数点命令：d ビットはプライマリ・オペコードの第 1 バイトのビット 2(0 origin)

表1-1. 方向(d)ビットのエンコーディング(「3. ModR/M バイト」「4. SIB バイト」参照)
-----------------------------------------------------
d  | ソース           | デスティネーション
-----------------------------------------------------
0  | reg フィールド   | ModR/M バイトまたは SIB バイト
-----------------------------------------------------
1  | ModR/M バイト    | reg フィールド
   | またはSIB バイト |
-----------------------------------------------------

2. 命令の構成

(1) レガシー・プリフィックス：必要な場合に指定(以下は、例)
    65h: GS セグメント・オーバーライド・プリフィックス

(2) REX プリフィックス：0 または 1 バイト
    40h ～ 4fh: 0100 WRXB

(3) オペコード：1, 2, 3 バイト
(4) ModR/M バイト：0 または 1 バイト(「3. ModR/M バイト」参照)
(5) SIB バイト：0 または 1 バイト(「4. SIB バイト」参照)
    mod != 11, r/m の場合、RSP や R12 が指定できないので、SIB.Base = RSP または R12 を利用する場合に必要

(6) 変位(Address displacement)：0, 1, 2, 4 バイト(一部の命令は 8 バイト)
    ・64 ビットに符号拡張される
    ・64 ビット絶対アドレス MOV 命令が使える
      memory64 to RAX 0100 1000 1010 0001 : displacement64
      RAX to memory64 0100 1000 1010 0011 : displacement64

(7) 即値(Immediate data)：0, 1, 2, 4 バイト(一部の命令は 8 バイト)
    ・オペランドサイズが 64 ビットの場合、64 ビットに符号拡張される
    ・64 ビット即値 MOV 命令が使える
      immediate64 to qwordregister 0100 100B 1011 1000 reg : imm64

3. ModR/M バイト

フォーマット：
mod(ビット 7, 6)
reg/Opcode(ビット 5, 4, 3)
r/m(ビット 2, 1, 0)

REX.W = 1 で、64 ビット幅のレジスタを指定できる。

reg または mod = 11, r/m  REX.R = 1
-----------------------------------
000 0 EAX                 R8D
001 1 ECX                 R9D
010 2 EDX                 R10D
011 3 EBX                 R11D
100 4 ESP                 R12D
101 5 EBP                 R13D
110 6 ESI                 R14D
111 7 EDI                 R15D

基本的なアドレス指定モード：

mod  mod != 11, r/m              REX.B = 1
-----------------------------------------------
00   000 0  [RAX]                [R8]
     001 1  [RCX]                [R9]
     010 2  [RDX]                [R10]
     011 3  [RBX]                [R11]
     100 4  SIB有り              SIB有り
     101 5  RIP+disp32(*1,*2,*3) RIP+disp32(*1,*2)
     110 6  [RSI]                [R14]
     111 7  [RDI]                [R15]
-----------------------------------------------
01   000 0  [RAX + disp8]        [R8 + disp8]
     001 1  [RCX + disp8]        [R9 + disp8]
     010 2  [RDX + disp8]        [R10 + disp8]
     011 3  [RBX + disp8]        [R11 + disp8]
     100 4  SIB有り+disp8        SIB有り+disp8
     101 5  [RBP + disp8]        [R13 + disp8]
     110 6  [RSI + disp8]        [R14 + disp8]
     111 7  [RDI + disp8]        [R15 + disp8]
-----------------------------------------------
10   000 0  [RAX + disp32]       [R8 + disp32]
     001 1  [RCX + disp32]       [R9 + disp32]
     010 2  [RDX + disp32]       [R10 + disp32]
     011 3  [RBX + disp32]       [R11 + disp32]
     100 4  SIB有り+disp32       SIB有り+disp32
     101 5  [RBP + disp32]       [R13 + disp32]
     110 6  [RSI + disp32]       [R14 + disp32]
     111 7  [RDI + disp32]       [R15 + disp32]

*1. 変位 0 の mod = 01, r/m = 101 を利用して、変位なしの RBP または R13 を指定可能
*2. RIP 相対ではない、0 を基準とした disp32 は SIB バイトで指定可能(「4. SIB バイト」参照)
*3. REX プリフィックスの有無に影響されない

4. SIB バイト

フォーマット：
SIB.Scale(ビット 7, 6)
SIB.Index(ビット 5, 4, 3)
SIB.Base(ビット 2, 1, 0)

基本的なアドレス指定モード：
(SIB.Index * scale) + SIB.Base

SIB.Scale  scale
----------------
00 0       1
01 1       2
10 2       4
11 3       8

      base         REX.B = 1 + base  index    REX.X = 1 + index
---------------------------------------------------------------
000 0 [RAX]        [R8]              [RAX]    [R8]
001 1 [RCX]        [R9]              [RCX]    [R9]
010 2 [RDX]        [R10]             [RDX]    [R10]
011 3 [RBX]        [R11]             [RBX]    [R11]
100 4 [RSP]        [R12]             none(*2) [R12]
101 5 [RBP](*1,*2) [R13]             [RBP]    [R13]
110 6 [RSI]        [R14]             [RSI]    [R14]
111 7 [RDI]        [R15]             [RDI]    [R15]

*1. mod  例外的なアドレス指定モード(1)
    ------------------------------------
    00   (SIB.Index * scale) + disp32
    01   (SIB.Index * scale) + disp8 + [RBP]
    10   (SIB.Index * scale) + disp32 + [RBP]

*2. 例外的なアドレス指定モード(2)
    mod  base  scale           index   変位
    -------------------------------------------------------
    00   101   00, 01, 10, 11  100     0 を基準とした disp32

5. オペコードの reg フィールド

REX.W = 1 で、64 ビット幅のレジスタを指定できる。

reg        REX.B = 1
--------------------
000 0 EAX  R8D
001 1 ECX  R9D
010 2 EDX  R10D
011 3 EBX  R11D
100 4 ESP  R12D
101 5 EBP  R13D
110 6 ESI  R14D
111 7 EDI  R15D

6. 参考資料

IA-32 インテル® アーキテクチャ・ソフトウェア・デベロッパーズ・マニュアル
上巻： 基本アーキテクチャ
https://www.intel.co.jp/content/dam/www/public/ijkk/jp/ja/documents/developer/IA32_Arh_Dev_Man_Vol1_Online_i.pdf

IA-32 インテル® アーキテクチャ・ソフトウェア・デベロッパーズ・マニュアル
中巻 A： 命令セット・リファレンス A-M
https://www.intel.co.jp/content/dam/www/public/ijkk/jp/ja/documents/developer/IA32_Arh_Dev_Man_Vol2A_i.pdf

IA-32 インテル® アーキテクチャ・ソフトウェア・デベロッパーズ・マニュアル
中巻 B： 命令セット・リファレンス N-Z
https://www.intel.co.jp/content/dam/www/public/ijkk/jp/ja/documents/developer/IA32_Arh_Dev_Man_Vol2B_i.pdf

インテル® エクステンデッド・メモリ 64 テクノロジ・ソフトウェア・ デベロッパーズ・ガイド
第 1 巻 リビジョン 1.1
https://www.intel.co.jp/content/dam/www/public/ijkk/jp/ja/documents/developer/EM64T_VOL1_30083402_i.pdf

インテル® エクステンデッド・メモリ 64 テクノロジ・ソフトウェア・ デベロッパーズ・ガイド
第 2 巻 リビジョン 1.1
https://www.intel.co.jp/content/dam/www/public/ijkk/jp/ja/documents/developer/EM64T_VOL2_30083502_i.pdf

Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals | Intel® Software
https://software.intel.com/en-us/articles/intel-sdm

Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
Volume 1: Basic Architecture rev.067 May 2018

Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual
Volume 2 (2A, 2B, 2C & 2D): Instruction Set Reference, A-Z rev.067 May 2018

ご指摘ありがとうございます。修正しておきました。