[ CALL指令有多少种写法 ] 之读书笔记

红魔七号 2019-08-13

PTR assembley

原文为360的安全专家很久之前的一篇文章,偶然发现后收获不少。特以笔记的形式记录下来, 便于加深理解。


Intel有公开的指令集格式文档,你需要的是第二卷的上半部分,指令集从A到M。这篇文档的难度超出一般人想象,里面有众多晦涩的标识、与硬件紧密相关的介绍,拿到这后,即使直接翻到目录的CALL 指令一节,也不见得能够弄清楚。不相信?我们就翻到那里看看:

11

这里注意一个细节, 即第四列64-bit Mode。能看到最后一行是Invalid, 这意味着在64位环境下该指令无效, 由于段寄存器这个概念在64位中已经不再使用, 猜测是这个缘由。


虽然很明确的列出,第一列是指令的二进制形式,第二列是指令的汇编形式,但是面对着 E8 cw, FF/2这样的标识,一样不知道究竟对应的二进制格式是什么样的。


那好,我们就从理解这些标识开始。文档向前翻,有一个专门的节(3.1.1 Instruction Format)讲述这些标识的含义。这里抽出其中两个用得着的翻译一下:


表格中的“Opcode”列列出了所有的所有可能的指令对应的二进制格式。有可能的话,指令代码使用十六进制显示它们在内存当中的字节。除了这些16进制代码之外的部分使用下面的标记:

注意这里用了”所有“这个字眼。以当前为例, 意味着所有的call指令都能用上述规则来表达。


cb, cw, cd, cp, co, ct — opcode后面跟着的一个1字节(cb),2字节(cw),4字节(cd),6字节 (cp),8字节(co) 或者 10字节(ct) 的值。这个值用来表示代码偏移地址,有可能的话还包括代码段寄存器的值。

这里只是举例。call指令后只有cw和cd, 和其cb,cp,co,ct无关。


/digit — digit为0到7之间的数字,表示指令的 ModR/M byte 只使用 r/m字段作为操作数,而其reg字段作为opcode的一部分,使用digit指定的数字。

MODR/M规则要牢牢记住。
7 6 Mod
5 4 3 reg/opcode (此时digit被认为是opcode的一部分)
2 1 0 R/M


红字部分不知道什么含义?没关系,我们先不看它。对于cb/cw之类的,基本上能够简单看明白其中的一些指令含义了:


E8 cw 的含义是:字节 0xE8 后面跟着一个2字节操作数表示要跳转到的地址与当前地址的偏移量。
E8 cd 的含义是:字节 0xE8 后面跟着一个4字节的操作数表示要跳转的地址与当前地址的偏移量。
9A cd 的含义是:字节 0x9A 后面跟着一个6字节的操作数表示要跳转的地址和代码段寄存器的值。

关于9A后跟6字节是有点疑惑的。但是由于64位不考虑9A, 所以先忽略作罢。
E8 cw也是忽略的。因为正常工作情况下cpu都是保护模式使用4字节。
所以这里只有E8 cd, 即跟随了4字节的偏移量。


那么,同样的0xE8开头的指令,CPU如何区分后面的操作数是2字节还是4字节?答案是和CPU的模式有关,在实模式下,0xE8接受2字节操作数,而32位保护模式下接受4个字节,64位保护模式下同样接受4字节,同时需要对该操作数进行带符号扩展。

https://zh.wikipedia.org/wiki/X86-64
按照维基百科上的理解,现有的X86_64是AMD基于IA_32架构上做出的扩展, 现有的X86_64并不是基于IA64的, IA64做出来之后貌似无人问津。
而实模式和保护模式google到的结过是这样的, CPU开始加电是实模式, 正式开始工作就是保护模式了。所以我们这里统一认为E8在64位下后跟4字节。


因此,CALL指令的前两种格式是:E8 xx xx xx xx,和 9A xx xx xx xx xx xx。一个是5字节长,一个是7字节长。其实E8 那种,就是我们在汇编指令里面写 CALL lable之后产生的,最常见的CALL指令。

9A指令之前已经描述过在64位不可用。所以这里我们就忽略了。这里只认E8 xx xx xx xx。


然后是下面的FF /2。这个是0xFF字节后面跟上一个blablabla的东西。这个blablabla的东西是什么呢?要解释这个,首先需要知道红字标出来的部分,即ModR/M是什么东西。


这个要先回到最基本的一个问题:IA32的指令格式。

IA32



其中每个部分是什么含义呢?



首先是指令前缀。有印象的应该记得当年学习微机原理的时候提到过得循环前缀 repnz/repne,这个前缀就是被编码在指令的前面部分的。每个前缀最多一个字节,一条指令最多4个前缀。

关于指令前缀摘抄自X86的维基百科。
https://zh.wikipedia.org/wiki/X86
分为4组,每组用1个字节编码。每组在指令中至多指定1个前缀值。4组的顺序可以任意。

  • 第1组锁与重复(Lock and repeat)

    • 锁(LOCK)编码为:F0H。用于互斥访问共享内存的操作。
    • 非零时重复(REPNE/REPNZ)编码为:F2H。用于字符串操作指令。
    • 为零时重复(REP/REPE/REPZ)编码为:F3H。用于字符串操作指令。
  • 第2组

    • 段覆盖(Segment override):CS、SS、DS、ES、FS、GS的段覆盖前缀的编码分别是2EH、36H、3EH、26H、64H、65H.
    • 分支提示(Branch hints),用于条件分支指令J_cc_。提示分支不发生编码为2EH;提示分支发生编码为3EH。
  • 第3组操作数长度覆盖(Operand-size override)编码为66H。用于在16位与32位操作数切换。
  • 第4组地址长度覆盖(Address-size override)编码为67H.用于在16位与32位地址切换。


然后是指令代码(opcode),这部分标识了指令是什么。这个是指令当中唯一必需的部分。前面例子当中的 0xE8,0xFF都是opcode。



再后面就是我们要重点关心的 ModR/M字段了,还有和它密切相关的SIB字节。手册2.1.3当中有对于它们的详细描述。


许多指令需要引用到一个在内存当中的值作为操作数,这种指令需要一个称为寻址模式标识字节(addressing-form specifier byte),或者叫做ModR/M字节紧跟在主opcode后面。ModR/M字节包含下面三个部分的信息:

  • mod(模式)域,连同r/m(寄存器/内存)域共同构成了32个可能的值:8个寄存器和24个寻址模式。
  • reg/opcode(寄存器/操作数)域指定了8个寄存器或者额外的3个字节的opcode。究竟这三个字节用来做什么由主opcode指定。
  • r/m(寄存器/内存)域可以指定一个寄存器作为操作数,或者可以和mod域联合用来指定寻址模式。有时候,它和mod域一起用来为某些指令指定额外的信息。

个人的理解是这样的:
MOD有四种取值类型
00: 寄存器间接寻址(register indirect addressing)
01: 寄存器相对寻址或基址相对寻址(register relative addressing) disp8
10: 寄存器相对寻址或基址相对寻址(register relative addressing) disp32
11: 寄存器寻址(register addressing)


这一段有些晦涩。其意思解释一下是这样的:一个指令往往需要引用一个在内存当中的值,典型的就是如mov:


MOV eax, dword ptr [123456]
MOV eax, dword ptr [esi]

将0x123456地址处的内容送入eax(长度为双字)。
将esi寄存器中保存的地址处的内容送入eax(长度为双字)。


这其中的 123456 或者 esi 就是 MOV 指令引用的内存地址,而MOV关心的是这个地址当中的内容。这个时候,需要某种方式来为指令指定这个操作数的类型:是一个立即数表示的地址,还是一个存放在寄存器当中的地址,或者,就是寄存器本身。

这一句话点醒了我。它说明了汇编为什么要这么写, 以及为什么有SIB和MODR/M.


这个用来区分操作数类型的指令字节就是 ModR/M,确切的说是其中的5个位,即mod和r/m域。剩下的三个位,可能用来做额外的指令字节。因为,IA32的指令个数已经远超过一个字节所能表示的256个了。因此,有的指令就要复用第一个字节,然后依据ModR/M当中的reg/opcode域进行区分。

重申, MODR/M规则要牢牢记住。
7 6 Mod
5 4 3 reg/opcode
2 1 0 R/M

这里的”复用第一个字节“, 应该说的是指令前缀。


现在回头看前面的红字标识的部分,能不能理解 /digit 这种表示法了?


对于SIB的介绍,我们先忽略,看看对于CALL指令的枚举我们已经能做什么了。


CALL指令的表示法:FF /2,是 0xFF 后面跟着一个 /digit 表示的东西。就是说,0xFF后面需要跟一个 ModR/M 字节,ModR/M字节使用 reg/opcode 域 = 2 。那么,reg/opcode = 2 的字节有32个,正如ModR/M的解释,这32个值代表了32种不同的寻址方式。是哪32种呢?手册上面有张表:

222

原文说"reg/opcode = 2 的字节有32个", 其实从表里能看到, opcode为任何数(0-7), 对应的可能性都是32种(4*8)。


非常复杂的一张表。现在就看看这张表怎么读。


首先是列的定义。由于 reg/opcode 域可以用来表示opcode,也可以用来表示reg,因此同一个值在不同的指令当中可能代表不同的含义。在表当中,就表现为每一列的表头都有很多个不同的表示。我们需要关心的就是 opcode 这一个。注意看我用红圈圈出来的部分,这一列就是 opcode=2 的一列。而我们需要的 CALL 指令,也就是在这一列当中,0xFF后面需要跟着的内容。

大部分情况下, 我们只关注reg/opcode对应的是opcode的情况。


行的定义就是不同的寻址模式。正如手册所说,mod + R/M域,共5个字节,定义了32种寻址模式。0x10 – 0x17 对应于寄存器寻址。例如指令 CALL dword ptr [eax] :[eax]寻址对应的是 0x10,因此,该指令对应的二进制就是 FF 10。同理, CALL dword ptr [ebx] 是 FF 13,CALL dword ptr [esi] 是 FF 16,这些指令都是2个字节。有人也许问 CALL word ptr [eax] 是什么?抱歉,这不是一个合法的32位指令。

思考1:
大学里学过的一点点汇编早特么忘了。https://blog.csdn.net/zzzyyyyyy66/article/details/80329591
这里的 call dword ptr [eax] 意思为: 将eax对应的值作为地址,并返回以此开始的4个字节。 然后以这4个字节对应的【内容】为地址,发起调用。
而call eax意思为: 认为当前eax的内容就是地址,直接发起调用。
这里还要纠正另外一个问题, 根据维基百科对于X86的解释, 这里应该是【寄存器间接寻址】, 而不是【寄存器寻址】。

思考2:
行是寻址模式。"Value of ModR/M Byte"实际上描述了ModR/M的8位作为一个整数计算出来的16进制的值。
64位下, 这里实际操作的是rax. 比如FF 10:
32位下: call dword ptr [eax]
64位下: call qword ptr [rax]
这里有个例外是0x14使用了SIB, 0x15使用了立即数。这2个并不是寄存器。这个回头会说。


0x50-0x57部分需要带一个 disp8,即 8bit 立即数,也就是一个字节。这个是基地址+8位偏移量的寻址模式。例如 CALL dword ptr [eax+10] 就是 FF 50 10 。注意虽然表当中写的是 [eax] + disp8 这种形式,但是并不表示是取得 eax 指向的地址当中的值再加上 disp8,而是在eax上加上disp8再进行寻址。因此写成 [eax+disp8] 更不容易引起误解。后面的disp32也是一样的。这个类型指令是3个字节。

这里0x54是个例外,使用了SIB. 0x50-0x57的范围内限制了理解数是disp8, 那么比如FF 50 10 20 33就会被识别为:

call qword ptr[rbp+0x10]
and byte ptr[rbx], dh

很明显cpu识别到10就知道FF这个call指令到此为止了, 从20开始又是一条新的指令。
需要再一次注意这种写法是在进行地址相加而不是值。


0x90 – 0x97部分需要带 disp32,即4字节立即数。这个是基地址+32位偏移量。例如 CALL dword ptr [eax+12345] 就是 FF 90 00 01 23 45。有趣的是, CALL dword ptr [eax+10] 也可以写成 FF 90 00 00 00 10。至于汇编成哪个二进制形式,这是汇编器的选择。这个类型的指令是6个字节。

FF 90 00 01 23 45 实际在本机执行的结果是: call qworld ptr [rax + 0x45230100]. 这是因为本机采用了大端存储(big endian), 而原作者应该是小端存储(little endian)。


0xD0 – 0xD7部分则直接是寄存器。这边引用的寄存器的类型有很多,但是在CALL指令当中只能引用通用寄存器,因此 CALL eax 就是 FF D0,臭名昭著的 CALL esp 就是 FF D4。注意 CALL eax 和 CALL [eax] 是不一样的。这些指令也是2个字节。

这里应该叫寄存器寻址。


仔细的人也许主要到了,在表当中,0x14, 0x15, 0x54和0x94是不一样的。0x15比较简单,这个要求 ModR/M后面跟上一个32位立即数作为地址。即常见的 CALL dword ptr [004F778e] 这种格式的,直接跳转到一个固定内存地址处存放的值,常见于调用Windows的导出表。对应的二进制是 FF 15 00 4F 77 8E ,有6个字节。

这里觉得例子也要注意大小端序的问题。


0x14,0x54,0x94部分是最复杂的,因为这个时候,ModR/M不足以指定寻址方式,而是需要一个额外的字节,这个字节就是指令当中的第4个字节,SIB。同样在手册的2.1.3,紧跟着ModR/M的定义:


某些特定的ModR/M字节需要一个后续字节,称为SIB字节。32位指令的基地址+偏移量,以及 比例*偏移量 的形式的寻址方式需要SIB字节。 SIB字节包括下列信息:

  • scale(比例)域指定了放大的比例。
  • index(偏移)域指定了用来存放偏移量 的寄存器。
  • base (基地址)域用来标识存放基地址的寄存器。


0x14, 0x54, 0x94就是这里所说的“特定的ModR/M字节。这个字节后面跟着的SIB表示了一个复杂的寻址方式,典型的见于虚函数调用:


CALL dword ptr [ecx+4*eax]


就是调用ecx指向的虚表当中的第eax个虚函数。这个指令当中,因为没有立即数,因此FF后面的字节就是0x14,而 [ecx+4*eax] 就需要用SIB字节来表示。在这个指令当中,ecx就是 Base,4是Scale,eax是Index。

注意他说的这个SIB的使用场景。


那么,Base, Scale和Index是如何确定的呢?手册上同样有一张表(又是巨大的表):

3332


列是Base,行是IndexScale,例如[ecx+4eax] 就是0x81。

ecx是base为2的那一列。4*eax在左边表行有显示, 就对应了0x81。


根据这张表,CALL dword ptr [ecx+4*eax] 就是 FF 14 81 。由此可见,对于 0x14系列的来说,CALL指令就是 3个字节。
而 0x54 带 8bit 立即数,就是对应于 CALL指令:CALL dword ptr [ecx+4*eax+xx],这个指令就是 FF 54 81 xx,是4个字节。
同理,0x94带32位立即数,对应于CALL指令:CALL dword ptr [ecx+4*eax+xxxxxxxx],这个指令就是 FF 94 81 xx xx xx xx,是7个字节。

注意这个CALL dword ptr [ecx+4*eax+xx]。这里的xx其实是在ModR/M中就明确了, 就是那个54对应的disp8。
同理ecx+4*eax+xxxxxxxx], 这里ModR/M就是94了。

OK,截止到目前,我们基本上能够列出常见的CALL指令的格式了:

指令 二进制形式 实际指令(本机)
CALL rel32 E8 xx xx xx xx CALL rel32
CALL dword ptr [EAX] FF 10 CALL qword ptr [RAX]
CALL dword ptr [ECX] FF 11 CALL qword ptr [RCX]
CALL dword ptr [EDX] FF 12 CALL qword ptr [RDX]
CALL dword ptr [EBX] FF 13 CALL qword ptr [RBX]
CALL dword ptr [REG*SCALE+BASE] FF 14 xx CALL qword ptr [REG*SCALE+BASE]
CALL dword ptr [abs32] FF 15 xx xx xx xx CALL qword ptr [abs32]
CALL dword ptr [ESI] FF 16 CALL qword ptr [RSI]
CALL dword ptr [EDI] FF 17 CALL qword ptr [RDI]
CALL dword ptr [EAX+xx] FF 50 xx CALL qword ptr [RAX+xx]
CALL dword ptr [ECX+xx] FF 51 xx CALL qword ptr [RCX+xx]
CALL dword ptr [EDX+xx] FF 52 xx CALL qword ptr [RDX+xx]
CALL dword ptr [EBX+xx] FF 53 xx CALL qword ptr [RBX+xx]
CALL dword ptr [REG*SCALE+BASE+off8] FF 54 xx xx CALL qword ptr [REG*SCALE+BASE+off8]
CALL dword ptr [EBP+xx] FF 55 xx CALL qword ptr [RBP+xx]
CALL dword ptr [ESI+xx] FF 56 xx CALL qword ptr [RSI+xx]
CALL dword ptr [EDI+xx] FF 57 xx CALL qword ptr [RDI+xx]
CALL dword ptr [EAX+xxxxxxxx] FF 90 xx xx xx xx CALL qword ptr [RAX+xxxxxxxx]
CALL dword ptr [ECX+xxxxxxxx] FF 91 xx xx xx xx CALL qword ptr [RCX+xxxxxxxx]
CALL dword ptr [EDX+xxxxxxxx] FF 92 xx xx xx xx CALL qword ptr [RDX+xxxxxxxx]
CALL dword ptr [EBX+xxxxxxxx] FF 93 xx xx xx xx CALL qword ptr [RBX+xxxxxxxx]
CALL dword ptr [REG*SCALE+BASE+off32] FF 94 xx xx xx xx xx CALL qword ptr [REG*SCALE+BASE+off32]
CALL dword ptr [EBP+xxxxxxxx] FF 95 xx xx xx xx CALL qword ptr [RBP+xxxxxxxx]
CALL dword ptr [ESI+xxxxxxxx] FF 96 xx xx xx xx CALL qword ptr [RSI+xxxxxxxx]
CALL dword ptr [EDI+xxxxxxxx] FF 97 xx xx xx xx CALL qword ptr [RDI+xxxxxxxx]
CALL EAX FF D0 CALL RAX
CALL ECX FF D1 CALL RCX
CALL EDX FF D2 CALL RDX
CALL EBX FF D3 CALL RBX
CALL ESP FF D4 CALL RSP
CALL EBP FF D5 CALL EBP
CALL ESI FF D6 CALL RSI
CALL EDI FF D7 CALL RDI
CALL FAR seg16:abs32 9A xx xx xx xx xx xx 64位不支持,此处不做描述

重新翻阅了intel的文档,发现call又有补充了:
FF /3
REX.W + FF /3

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corcosa
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