讨论一下 x64 体系中 long mode 下的一个 bug

mik

本来以为对 x64 还是很了解，但要非常透彻清晰地理解，还需要每个细节都要掌握透彻。


最近发现 x64 体系上的一个 bug，是否有这么一回事，讨论一下。


　　按 x64 体系的设计思路： long mode 的 compatibility 模式应该与原来的 x86 行为一致，使用原有的 32 位软件能平滑地直接在 64 位 OS 中运行。
　　事实上真能做到。比如：在我的 vista x64 上就能很好的运行原来的 32 位软件。

　　64 位的 OS 的核心代码（kernel）及相关核心组件必定是运行在 long mode 的 64 bit 模式下。那么64位用户程序运行在 64 bit 模式下，而原来的 32 位软件则是运行在 compatibility 模式下。


对于 long mode 下的 system descriptor 及 gate descriptor  AMD 的文档中明确说明：

１、system descriptor（LDT & TSS）仅仅在 64 bit 模式下才被扩展为 64 位的 descriptor（共 16 个字节），在 compatibility 模式下还是原来的 32 位 descriptor（共 8 个字节）。

２、gate descriptor 在 long mode 下被扩展为 64 位的 descriptor，包括 compatibility 和 64 bit 模式。

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bug ： （根据最新的 AMD 文档)
　　LDT、TSS 和 gate descriptor 的 type 在 long mode 模式（compatibility 和 64 bit）被修改为：64bit-LDT、64bit-TSS 以及 64bit-gate（call、interrupt/trap）。
　　按 AMD 的论述：仅在 64 bit 模式下 LDT 和 TSS 才被扩展为 64 位，不包括 compatibility 模式。在这里就前后矛盾了。若：也仅在 64 bit 模式下，它们的 type 才被修改为 64 LDT 和 64 TSS，在 compatibility 模式下还是原来的 types。这样才符合设计方案。
　　这不知是 AMD 文档上论述上的一个 bug，还是确实是这样。确实这样的话：这可算是一个 bug。
         
在 compatiblity 模式下是否真的被定义为 64 TSS，这是一个很重要的问题：
　　64 位的 TSS 与 32 位的 TSS 相差甚远，关键的一点是：64 位的 TSS 中 stack pointer 是 64 位的，并且没有 SS selector 存在。而 32 位的 TSS 中 stack pointer 包括了 SS 与 ESP，它们是 32 位的。
　　所以，当原来的 32 位软件运行在 compatiblity 下，若有代码使用 call gate 来调用高权限的例程时，而 call gate 最终却使用的是 64 位的系统例程。发生 stack 切换时，应该要使用了 64 位的 TSS 。但是居然使用了 32 位的 TSS，就会产生问题。


实际上：
　　这个 bug 的产生来自“仅在 64 bit 模式下 TSS 才被扩展为 64 位”。

恰恰相反：
　　“在 long mode 模式（包括 compatiblity 和 64 bit）下 TSS 被扩展为 64 位”---- 这是对的。

　　gate（包括 call、interrupt/trap）在 long mode 下被扩展为 64 位，TSS 也应该是而“在 long mode 下被扩展”，而不是“仅仅在 64 bit 模式下才被扩展”。TSS 应该与 gate 相配套。

　　问题的产生在于：使用 call gate 调用高权限的系统例程的时侯。系统例程是属性系统软件 OS 的部件。

　　在 x64 体中的 long mode 下的 gate 必须是使用 64 位的 code，所以 long mode 下 gate 是 64 位--- 这个观点正确。

　　在 64 位的 OS 核心运行在 64 位下，那么由 call gate 调用的系统例程应该是 64 位代码。因此，发生 stack 切换时，必须使用 64 位的 TSS 来获取 64 位的 stack pointer（RSP）。

因此：
　　应该是 TSS 在 long mode 下被扩展为 64 位，而不是仅在 64 bit 才被扩展为 64 位。


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　　在这里，我宁可当 AMD 文档论述的 bug，而不是实际上的 bug。 实际上更不要指望 Intel 的手册能说清楚，Intel 的手册论述得更差劲！


　　又或者：是我的理解错误。

mik

主贴里，确实是我理解错误了。 收回我的这方面的言论。


“TSS 仅仅在 64 bit 模式下才被扩展为 64 位”----- 这是对的。

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因为：
　　x64 体系中设计：gate 在 long mode （包括 compatibility 和 64 bit）下扩展为 64 位。这一设计理念也是正确的。

　　gate（包括 call、interrupt / trap）目的是构建系统的服务例程，如：核心的服务例程，中断服务例程等。64 位的 gate 必须指向 64 位的 code segment。
　　在 64 位的 OS 中，核心的组件运行在 64 bit 模式下，包括前面提到的系统服务例程。


　　在 64 位的 OS 中，当运行原来 x86 的 32 位应用软件时，32 位的软件运行在 compatibility 模式下。如果：原来运行在 compatibility 的 32 位软件中，执行调用 call-gate 来调用系统服务例程。


１、由于 call-gate 最终执行 64 位的代码。

　　那么就发生了：processor 由 compatibility 模式切换到  64 bit 模式。由于 processor 已切换到 64 bit 模式，那么此时的 TSS 也被切换到 64-TSS 模式。

　　由于 CPL 的改变，导致了 stack 的切换。此时的 TSS 已经切换到 64-TSS 模式，因此在 64 bit 代码下，获取了正确的 64 位 stack pointer （RSP），此时的 stack 环境是正确的。

　　故“仅在 64 bit 模式下 TSS 才被扩展为 64 TSS“   这个策略是正确的。


２、 在 long mode 的 compatibility 模式下，TSS 依然是原来的 16 或 32 位 TSS。

　　若运行在 compatibility 模式下的 32 位代码当中：有指令使用 TSS selector 或者 task gate 进行任务的切换。那么此时的 TSS 必须是原来的 TSS，不能是 64 位的 TSS 。

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基于上述 2 个方面：在 compatibility 模式下 TSS 不能被扩展为 64 位 TSS。而 64 bit 下必须被扩展为 64 位 TSS 。



　　至于，AMD 文档上面说：在 long mode（包括 compatibility 和 64 bit）下，TSS descriptory 的 types 中：32-TSS 被重新定义为 64-TSS。
　　------- 这种前后矛盾的说法，相信这是文档论述方面的错误。

mik

仔细再看了看，AMD/Intel 文档中自相矛盾的地方太多了。MD 的太不认真，太不负责任的。

还是小平同志说得对：实验是检验真理的唯一标准。