1. 汎用レジスタの説明
そして x86 エミュレータ
2012 年 5 月 26 日
上川大介
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2. 自己紹介
• 名前 上川大介
• Twitter d_kami
• はてな d-kami
• Java をメインに使っているが、自作 OS
を作り始めたことにより、 x86 エミュレ
ータを作り始めた
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3. 目的
• 前半
– x86 のレジスタに慣れてもらう
– x86 の一部なら意外と簡単だということをわ
かってもうらう
• 後半
– 自分なりのエミュレータの作り方をふーんと
思いながら見てもらう
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4. このスライドのルール
• アセンブリ言語は Intel 記法で記述する
• 命令名やレジスタ名は大文字にする
• 16 進数が突然でてきます
• 10 進数も混ざったりしてます
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5. 汎用レジスタ
• 多種の目的で利用できるレジスタ
• 代入命令で自由に書き換え可能
• 命令によっては利用方法が決まっている
• x86 には汎用レジスタが８つある
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6. 汎用レジスタの種類（ 32bit ）
• EAX
• ECX
• EDX
• EBX
• ESP
• EBP
• ESI
• EDI
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7. EAX
• アキュムレータ
• 演算命令で EAX 専用の命令が存在する
• MUL や DIV では必ず使う
• C 言語の関数の返り値が入ってたりする
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8. アキュムレータを使うとこうな
る
• ADD AL, 0xA0 だと…
– 04 A0
• ADD CL, 0xA0 だと…
– 80 C1 A0
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9. ECX
• カウンタ
• ループでカウンタとして利用される
• シフトローテート命令でも利用される
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10. EDX
• データ
• MUL や DIV で利用される
• I/O 操作でも利用される
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11. EBX
• ベースアドレス
• BIOS Function Call で利用される
• 詳しくないのでわかりません！
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12. ESP
• スタックポインタ
• スタックの操作で利用される (PUSH,
POP)
• サブルーチンコールで利用される (CALL,
RET)
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13. EBP
• ベーススタックポインタ
• C 言語のプログラムをコンパイルすると
よくでてくる
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14. ESI
• ソースインデックス
• メモリ転送命令で利用される
• メモリの転送元番地を表す
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15. EDI
• デスティネーションインデックス
• メモリ転送命令で利用される
• メモリの転送先番地を表す
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16. 32bit レジスタ
• EAX 、 ECX など
– 下位 16bit に AX や CX と言った名前でアクセ
ス
– 下位 16bit の下位 8bit に AL 、 CL と言った名
前でアクセス（ EAX 、 ECX 、 EDX 、 EBX
のみ）
– 下位 16bit の上位 8bit に AH 、 CH と言った名
前でアクセス（ EAX 、 ECX 、 EDX 、 EBX
のみ） 16

17. レジスタの選び方
1. オペコードにレジスタ番号を埋め込む
2. ModR/M で指定する
3. 命令によっては使うレジスタが固定され
る
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18. オペコードにレジスタ番号を埋め
込む
• MOV 命令（ B0 ～ BF ）
• XCHG 命令（ 90 ～ 97 ）
• PUSH 命令（ 50 ～ 57 ）
• POP 命令（ 58 ～ 5F ）
• INC 命令 (40 ～ 47)
• DEC 命令 (48 ～ 4F)
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19. ModR/M で指定する
• ModR/M はオペコードの次のバイト
• ModR/M があるかどうかは命令次第
• ModR/M の構造
ModR/M が 55 だった場合
01010101
01 が Mod 、 101 が R/M
010 がレジスタインデックスまたはオペコ
ード
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20. レジスタが固定される場合
• 演算命令の一部で EAX が利用される
• MUL 、 DIV で EAX と EDX
• 繰り返し命令で ECX
• メモリ転送命令で ESI 、 EDI
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21. メモリのアドレス指定方法
• ModR/M で指定する
– [EBX], 0xA0000000
– C7 03 00 00 00 A0
• string 命令を使う
– MOVSB
• ESI や EDI がメモリアドレスになる
• MOV [EDI], [ESI] のようなことをやる
• MOV [EDI], [ESI] をアセンブラにかけると怒られ
ますが
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22. 前半のまとめ
• 汎用レジスタが 8 つある
• メモリアドレスは ModR/M や string 命令
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23. x86 エミュレータ編
• 初期の頃のソースコードの解説
• エミュレータは Java で作った
• Google Web Toolkit を使った HTML5 版も
あるよ！
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24. 初期の頃の問題点
• 知らないことが多すぎた
• ModR/M を知らなかった
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25. x86 エミュレータ 命令実装前
public class VM{
private int eip;
private byte[] memory;
// イメージファイルの読み込み
public void load(String name){
/* 読み込む処理 */
}
}
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26. 命令実装 : エミュレータ本体編
1/2
public void execute(){
int code = memory[eip] & 0xFF;
Instruction instruction =
instructions[code];
instruction.execute(this);
}
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27. 命令実装 : エミュレータ本体編
2/2
public void execute(){
int code = getCode8(0);
Instruction instruction =
instructions[code];
instruction.execute(this);
}
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28. エミュレータ本体の変化
• 最初はオペコードを取得するためにプロ
グラムカウンタの値をそのまま利用
• getCode8 を作成
• getCode8 ではセグメントやページングで
のアドレス変換を行って、オペコードの
位置を求めている
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29. Instructions
Instruction[] instructions = new Instruction[256];
instructions[0x00] = new AddRM8R8();
instructions[0x01] = new AddRMXRX();
instructions[0x02] = new AddR8RM8();
instructions[0x03] = new AddRXRMX();
instructions[0x04] = new AddALImm8();
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30. 命令実行命令実装編 1/3
public class MoveALImm8 implements Instruction{
public void exeucte(VM vm){
int imm = vm.getCode8(1);
vm.setRegister8Low(EAX, imm);
vm.addEIP(2);
}
}
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31. 命令実行命令実装編 2/3
public class MoveR8RM8 implements …
public void exeucte(VM vm){
int modrm = vm.getCode8(1);
int mod = modrm >> 6;
int register = (modrm >> 3) & 0x07;
int rm = modrm & 0x07;
/* 処理 */
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32. 命令実行命令実装編 3/3
public class MoveR8RM8 implements …
public void execute(VM vm){
ModRM modrm = vm.getModRM();
int value = modrm.getRMValue8();
modrm.setRegister8(value);
vm.addEIP(2);
}
}
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33. ModR/M で命令分岐
• ModR/M にオペコー
ドが含まれる命令が
ある
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34. ModR/M による命令分岐の実装
1/2
public class ExtD0 implements Instruction{
private Instruction[] instructions;
public ExtD0(){
instructions = new Instruction[8];
instructions[0] = new ROLRM8();
instructions[1] = new RORRM8();
}
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35. ModR/M による命令分岐の実装
2/2
public void execute(VM vm){
int code =
vm.getModRM(false).getOpecode();
instruction = instructions[code];
instruction.execute(vm)
}
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36. オペコードが多バイトの場合
public class Ext0F implements Instruction{
private Instruction[] instructions;
private Instruction instruction;
public Ext0F(){
instructions = new Instruction[256];
instructions[0x00] = new Descriptor0();
instructions[0x01] = new Descriptor();
instructions[0x20] = new MoveR32CRX();
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37. 自作エミュレータの現状 1/2
• 200 命令ぐらいを適当に実装
• BIOS を適当に実装
• セグメントを適当に実装
• ページングを適当に実装
• 割り込みを適当に実装
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38. 真面目にやれって言ったって…
まともにやってたら
大変なんですよ！
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39. 自作エミュレータの現状 2/2
• Mona 0.1.1 を実行できる
• Mona 0.1.5 が途中でエラーになる
• xv6 が途中で無限ループに陥る
• Plan9 が途中でエラーになる
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40. デモ
デモ
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41. 自作エミュレータのデバッグ方
法
• 最初の頃は…
– 実行順に命令名を全て表示
– 命令実行ごとにレジスタの値表示
– メモリの特定のアドレスにある値表示
• 現状
– 数百万命令～数千万命令実行されるので全て
ダンプすると時間かかったり、ログファイル
が巨大化して死ぬ
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42. 現時点でのデバッグ方法
• いい方法が思いつかない
• とりあえずできること
– OS にデバッグ用命令を埋め込む
• コンパイラのバージョンの違いにより、今ではコ
ンパイルできない OS があってめんどい
– ある命令が実行される、もしくはメモリのあ
るアドレスがアクセスされるまでダンプを行
わない
• それでも数千～数万命令がダンプされるのはよく
あること
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43. 厄介なバグ
• 無限ループに陥る
– 止まってくれると有難い
– ループ内の条件付きジャンプが多すぎてどの
ジャンプでループを抜けるのかがわからない
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44. 良いデバッグ方法があったら
教えてください！
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45. まとめ
• 適当に作ってると酷い目にあう
• 無限ループは敵
• x86 エミュレータは他人が作る物
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