理解 x87 FPU 的执行环境 资源

yuyang911220

在这里，我们来了解一下 x86/x64 体系中的 x87 FPU 结构，包括下面几个物理资源：

• 浮点数据寄存器：fpr0 - fpr7
• 控制字寄存器：FCW（Control Word Register）
• 状态字寄存器：FSW（Status Word Register）
• tag 寄存器：FTW（Tag Word Register）
• x87 last Instruction Pointer 寄存器
• x87 last Data Pointer 寄存器
• x87 last Opcode 寄存器

然而，x87 Environment 包括下面的要素：

• 控制字寄存器：FCW（Control Word Register）
• 状态字寄存器：FSW（Status Word Register）
• tag 寄存器：FTW（Tag Word Register）
• x87 last Instruction Pointer 寄存器
• x87 last Data Pointer 寄存器
• x87 last Opcode 寄存器

也就是说 x87 Environment 中并不包括 x87 FPU 的 data registers

1. last instruction pointer 与 last data pointerx87 last instruction pointer 是存储最后一条非控制指令的地址值，x87 last data pointer 是存储最后一条非控制指令的内存操作数地址值，如果最后一条非控制指令的操作数不是 memory 操作数，那么 x87 last data pointer 的值是无效的，未定义的。

2. 观察 last instruction pointer 与 last data pointer 表现现在我们来关注一下 last instruction pointer 与 last data pointer：

• x87 last instruction pointer 和 last data pointer 都是 48 位 16:32（segmentffset）模式

也就是说：48 位的寄存器高 16 位存放 segment 值，低 32 位存放 offset 值。
在 64-bit 模式下：

• x87 last instruction pointer 和 last data pointer 都是 64 位的

在这种情况下，将不保存 last instruction selector 和 last data pointer selector 值。
下面的小节中，我将分别在 real mode，protected mode 以及 64-bit mode 下做实验，在实验中我将使用 fstenv 指令进行保存 x87 Environment
2.1 real mode 下的表现由于我们根据 fstenv 指令来观察 x87 Environment 因此根据 fstenv 指令的 memory 操作数，我们可以分为：

• 16 位内存模式
• 32 位内存模式

2.1.1 real mode 下的 16 位内存模式实际上 Intel 已经给出答案了，下图是摘自 Intel Manual：

现在我们可以用代码来验证这个图的正确性。
2.1.1.1 为测试做准备

jmp 0x0100next - 0x1000)        ; for test ... next:         mov ax, 0x1000                        ; for test ...         mov ds, ax

我在这里将 CS 设为 0x0100，而 DS 设为 0x1000 目的是想清楚地观察 last instruction pointer 和 last data pointer
2.1.1.2 执行 x87 指令

fild word [mem16int]            ; for test DS:mem16int = 0x1000:XXXX         fstenv [cs: state - 0x1000]              ; CS:stat = 0x0100:XXXX

这里首先执行一条 x87 指令，内存 [mem16int] 的位置在哪无关紧要，在这个例子中并不影响指令的执行效果。指令执行目的是获得 last instruction pointer 和 last data pointer，接着使用 fstenv 指令来保存 x87 Environment，值得注意的是：这里使用的是 16 位的内存模式。
我们可以使用 bochs 的调试功能，使用 fp 命令来输出 float point 寄存器

<bochs:7> fp status  word: 0x82c1: B c3 TOS0 c2 C1 c0 ES SF pe ue oe ze de IE control word: 0x0040: inf RC_NEAREST PC_32 pm um om zm dm im tag word:     0x5555 operand:      0x0706 fip:          0x0000000000006c28 fcs:          0x0100 fdp:          0x0000000000007c45 fds:          0x1000

上面命令输出：

• fip（last instruction pointer）为 0x6c28 实际上就是 0x6c28 + 0x1000 = 0x7c28
• fcs（CS segment）为 0x0100
• fdp（last data pointer）为 0x7c45 实际上就是 0x7c45 + 0x10000 = 0x17c45
• fds（DS segment）为 0x1000

然后，我们观察 fstenv 指令执行结果，验证上面是否正确，我们可以打印 state 内存点的值：

(0) [0x0000000000007c2d] 0100:6c2d (unk. ctxt): fnstenv cs:0x6c47         ; 2ed936476c <bochs:10> x /7h 0x1000+0x6c47 [bochs]: 0x0000000000007c47 <bogus+       0>: 0x0040 0x82c1 0x5555 0x7c28 0x0706 0x7c45 0x1000

fnstenv 指令在 cs:0x6c47（即：0x7c47） 的位置上保存 x87 Environment，我们验证得到：

• [0x7c47] = 0x0040 这是 control word
• [0x7c49] = 0x82c1 这是 status word
• [0x7c51] = 0x5555 这是 tag word

接下来 20 位是 last instruction pointer 被拆分两部分，高 4 位在下一个字节的高 4 位，结果 last instruction pointer 是 0x7c28，接下来是 11 位的 last opcode 为：

• 0x0706 = 0000 0111 0000 0110

真实的 x87 opcode 是 d8 + 7 06 = df 06，接下来是 last data pointer 组成原理与 last instruction 是一样的，为 0x17c45
本例的源码和映像下像：x87environment_demo1.zip
下图是在 bochs 2.4.6 下运行的截图：

上图中打印出了 last data pointer 和 last instrcution pointer，以及根据 last instrcution pointer 获取的 x87 instruction encodes
这里有完整的源代码以及映像下载：x87environment_demo_real16.zip

2.1.2 real mode 下的 32 位内存模式下面是 x87 Environment 在 real mode 的 32 位内存模式下的布局：

在 real mode 下缺省的操作数大小是 16 位的，在缺省情况下使用指令 fstenv/fnstenv 可以获得 16 位的 state image，为了获得 32 位的 state image，我在代码里修改如下：

db 0x66                                       ; override to 32-bit         fnstenv [cs: (state - 0x1000)]                ; CS:stat = 0x0100:XXXX

我手工加上 operand-size override prefix 将操作数调整为 32 位，运行结果如下：

上面是在 bochs 中的运行结果，得到的是 32 位的 real mode 的 state image，我们可以看出，图上红色标记的是分别是：

• control word
• status word
• tag word
• last instruction pointer
• last data pointer

这些寄存器的高 16 位，在 32 位的的 state image 中这些高 16 位被写入 0xFFFF 值。对应在 intel 给出的图中的灰色部分。