在将 XGETBV 的结果用于 XSETBV 之前，我是否应该屏蔽它们？

问题描述

我正在尝试执行一些 UEFI 应用程序。

我发现此代码在 VirtualBox 上崩溃（test success 未打印，而 test start 已打印）：

#include <stdint.h>

void* ConOut;
uint64_t (*OutputString)(void* protocol,void* string);

void printChar(int c) {
    unsigned char data[4] = { (unsigned char)c };
    if (c == '\n') printChar('\r');
    OutputString(ConOut,data);
}

void printString(const char* str) {
    while (*str != '\0') printChar((unsigned char)*(str++));
}

void entry(void* unused,uint64_t* table) {
    (void)unused;

    ConOut = (void*)table[8];
    OutputString = (uint64_t (*)(void*,void*))((uint64_t*)ConOut)[1];

    printString("waiting for breakpoint set...\n");
    {
        volatile int j;
        for (j = 0; j < 1000000000; j++);
    }

    printString("test start\n");

    __asm__ __volatile__ (
        /* marker for setting breakpoint */
        "cmp $0xdeadbeef,%%eax\n\t"
        /* turn on OSXSAVE */
        "mov %%cr4,%%rax\n\t"
        "or $0x40000,%%rax\n\t"
        "mov %%rax,%%cr4\n\t"
        /* read XCR[0] */
        "xor %%eax,%%eax\n\t"
        "xor %%edx,%%edx\n\t"
        "xor %%ecx,%%ecx\n\t"
        "xgetbv\n\t"
        /* write XCR[0] */
        "xsetbv\n\t"
    : : : "%eax","%ecx","%edx");
    
    printString("test success\n");

    for (;;) __asm__ __volatile__ ("cli\n\thlt\n\t");
}

编译命令：

C:\MyInstalledApps\TDM-GCC-64\bin\gcc -Wall -Wextra -nostdlib -e entry -m64 -Wl,--subsystem=10 minimum_test.c -o minimum_test.efi

从我的检查中，我发现 EDX:EAX 通过 00000000:0000001f 指令设置为 xgetbv 并且 xsetbv 导致 #GP（中断向量 13）故障查看价值。

奇怪的是，当我通过单步执行 VirtualBox 执行 xgetbv 指令时，它将 EDX:EAX 设置为 00000000:00000001，因此没有发生任何错误并打印 test success。

参考 Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals，我发现它是关于 XGETBV 的：

如果更少超过 64 位在被读取的 XCR 中实现，返回到 EDX:EAX 的值在未实现的位定位中未定义。

然后，关于 XSETBV：

保护模式异常
#GP(0)
如果当前权限级别不是 0。
如果在 ECX 中指定了无效的 XCR。
如果 EDX:EAX 中的值设置了 ECX 指定的 XCR 中保留的位。
如果试图清除 XCR0 的位 0。
如果尝试将 XCR0[2:1] 设置为 10b。

这种情况是根据 EDX:EAX 值设置保留位。由于从 XGETBV 返回的未实现位的值未定义，因此在将 XGETBV 的结果传递给 XSETBV 之前将其屏蔽似乎是合理的。用于屏蔽的值可以通过 CPUID with EAX=0x0D,ECX=0 获得。添加一些代码来应用屏蔽后，XSETBV 在 VirtualBox 上运行良好。

另一方面，Intel 手册中也有关于 XSETBV 的说明：

XCR 中的未定义或保留位应设置为值以前读过。

这看起来应该将保留位设置为通过 XGETBV 获得的值，我不应该应用 maskimg 来强制这些位变为零。

作为结论，在将 XGETBV 的结果传递给 XSETBV 之前，我应该还是不应该通过 cpuID 获得的有效位来屏蔽 XGETBV 的结果？

我发现的相关但不重复的问题：

assembly - vmovdqa not working in virtualbox? - Stack Overflow
- 这个问题声称 xsetbv 之后的 xgetbv 有效，但我发现它在 VirtualBox 上无效。
assembly - XSetgv crashes in my bare metal software - Stack Overflow
- 这个问题是直接设置EAX和EDX，而不是使用XGETBV。
c - Using XSETBV to write to XCR0 creates a general protection fault in a VM on hardware that supports MPX - Stack Overflow
- 这个问题是在 VMWare 上的，但我的问题是在 VirtualBox 上。
- 这个问题说“如果我不操作 xcr0 并且只是读取它的值并将其写回，事情似乎工作正常”，但在我的实验中只是写入值读取导致 #GP 错误.

宿主环境：

Windows 10 家庭版 (x64)
Intel(R) Core(TM) i7-9750H cpu @ 2.60GHz 2.59GHz
内存 16.0 GB
VirtualBox 6.1.18 r142142 (qt5.6.2)

来宾 (VM) 环境：

操作系统：其他/未知（64 位）
基本内存：128 MB
芯片组：PIIX3
启用 I/O APIC
EFI：已启用
1 个 cpu
加速：VT-x/AMD-V、嵌套分页、PAE/NX
半虚拟化接口：默认

用于测试的完整代码：

#include <stdint.h>

void* ConOut;
uint64_t (*OutputString)(void* protocol,data);
}

void printString(const char* str) {
    while (*str != '\0') printChar((unsigned char)*(str++));
}

void printInt(uint64_t value,int radix,int minDigits) {
    char vStr[128] = "";
    char* pStr = vStr + 120;
    int digits = 0;
    do {
        *(pStr--) = "0123456789ABCDEF"[value % radix];
        value /= radix;
        digits++;
    } while (value > 0 || digits < minDigits);
    printString(pStr + 1);
}

void stop(void) {
    __asm__ __volatile__(
        "cli\n\t"
        "1:\n\t"
        "hlt\n\t"
        "jmp 1b\n\t"
    );
}

void entry(void* unused,uint64_t* table) {
    uint32_t eax,ebx,ecx,edx,cs,cr0,xcr0_low,xcr0_high;
    uint32_t cpuid_max,eax_mask,edx_mask;
    unsigned char src_test[32],dst_test[32] = {0};
    int i;
    (void)unused;

    ConOut = (void*)table[8];
    OutputString = (uint64_t (*)(void*,void*))((uint64_t*)ConOut)[1];

    __asm__ __volatile__ (
        "xor %%eax,%%eax\n\t"
        "cpuid\n\t"
    : "=a"(eax),"=b"(ebx),"=c"(ecx),"=d"(edx));
    printString("cpuID.00H: EAX=0x"); printInt(eax,16,8);
    printString(",EBX=0x"); printInt(ebx,ECX=0x"); printInt(ecx,EDX=0x"); printInt(edx,8);
    printChar('\n');
    if (eax < 1) {
        printString("cpuID.01H not supported!\n");
        stop();
    }
    cpuid_max = eax;

    __asm__ __volatile__ (
        "mov $1,"=d"(edx));
    printString("cpuID.01H: EAX=0x"); printInt(eax,8);
    printChar('\n');
    if (!((ecx >> 26) & 1)) {
        printString("xsave (ECX[26]) not supported!\n");
        stop();
    }

    if (cpuid_max >= 0x0D) {
        __asm__ __volatile__ (
            "mov $0xd,%%eax\n\t"
            "xor %%ecx,%%ecx\n\t"
            "cpuid\n\t"
        : "=a"(eax),"=d"(edx));
        printString("cpuID.0DH: EAX=0x"); printInt(eax,8);
        printString(",8);
        printChar('\n');
        eax_mask = eax;
        edx_mask = edx;
    } else {
        printString("cpuID.0DH not supported\n");
        eax_mask = UINT32_C(0xffffffff);
        edx_mask = UINT32_C(0xffffffff);
    }

    __asm__ __volatile__ (
        "mov %%cs,%%ax\n\t"
        "movzwl %%ax,%0\n\t"
        "mov %%cr0,%%rax\n\t"
    : "=g"(cs),"=a"(cr0));
    printString("CPL check: CS=0x"); printInt(cs,4);
    printString(",CR0=0x"); printInt(cr0,8);
    printChar('\n');
    if (!cr0 & 1) {
        printString("not in protected mode!\n");
        stop();
    }
    if ((cs & 3) != 0) {
        printString("CPL is not zero!\n");
        stop();
    }

    printString("waiting for breakpoint set...\n");
    {
        volatile int j;
        for (j = 0; j < 1000000000; j++);
    }

    printString("turning on OSXSAVE\n");
    __asm__ __volatile__ (
        /* turn on OSXSAVE */
        "mov %%cr4,%%cr4\n\t"
    : : : "%eax");

    __asm__ __volatile__ (
        /* marker for setting breakpoint */
        "cmp $0xdeadbeef,%%eax\n\t"
        /* read XCR[0] */
        "xor %%eax,%%ecx\n\t"
        "xgetbv\n\t"
    : "=a"(xcr0_low),"=d"(xcr0_high) : : "%ecx","cc");
    printString("XCR[0] = ");
    printInt(xcr0_high,8); printChar(':');
    printInt(xcr0_low,8); printChar('\n');

    xcr0_low |= 6;

#if 0
    printString("applying mask\n");
    xcr0_low &= eax_mask;
    xcr0_high &= edx_mask;
#else
    (void)eax_mask; (void)edx_mask;
#endif

    printString("new XCR[0] will be: ");
    printInt(xcr0_high,8); printChar('\n');

    printString("turning on AVX\n");
    __asm__ __volatile__ (
        /* marker for setting breakpoint */
        "cmp $0xdeadbeef,%%ecx\n\t"
        /* turn on AVX */
        "xor %%ecx,%%ecx\n\t"
        "xsetbv\n\t"
    : : "a"(xcr0_low),"d"(xcr0_high) : "%ecx","cc");

    for (i = 0; i < 32; i++) src_test[i] = 123 * (i + 1);
    printString("testing AVX instruction\n");
    printString("src:\n");
    for (i = 0; i < 32; i++) {
        printInt(src_test[i],2);
        printChar((i + 1) % 16 == 0 ? '\n' : ' ');
    }
    printString("dest before:\n");
    for (i = 0; i < 32; i++) {
        printInt(dst_test[i],2);
        printChar((i + 1) % 16 == 0 ? '\n' : ' ');
    }
    __asm__ __volatile__ (
        "vmovups (%0),%%ymm0\n\t"
        "vmovups %%ymm0,(%1)\n\t"
    : : "r"(src_test),"r"(dst_test));
    printString("dest after:\n");
    for (i = 0; i < 32; i++) {
        printInt(dst_test[i],2);
        printChar((i + 1) % 16 == 0 ? '\n' : ' ');
    }

    printString("test done.\n");
    stop();
}

VirtualBox 的输出：

cpuID.00H: EAX=0x00000016,EBX=0x756E6547,ECX=0x6C65746E,EDX=0x49656E69
cpuID.01H: EAX=0x000906ED,EBX=0x00010800,ECX=0x56DA220B,EDX=0x178BFBFF
cpuID.0DH: EAX=0x00000007,EBX=0x00000340,EDX=0x00000340,EDX=0x00000000
CPL check: CS=0x0038,CR0=0xC0010033
waiting for breakpoint set...
turning on OSXSAVE
XCR[0] = 00000000:0000001F
new XCR[0] will be: 00000000:0000001F
turning on AVX

当我直接在我的电脑上执行程序时的输出：

cpuID.00H: EAX=0x00000016,EBX=0x00100800,ECX=0x77FAFBBF,EDX=0xBFEBFBFF
cpuID.0DH: EAX=0x0000001F,EBX=0x00000240,ECX=0x00000440,CR0=0x80000013
waiting for breakpoint set...
turning on OSXSAVE
XCR[0] = 00000000:00000001
new XCR[0] will be: 00000000:00000007
turning on AVX
testing AVX instruction
src:
7B F6 71 EC 67 E2 5D D8 53 CE 49 C4 3F BA 35 B0
2B A6 21 9C 17 92 0D 88 03 7E F9 74 EF 6A E5 60
dest before:
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
dest after:
7B F6 71 EC 67 E2 5D D8 53 CE 49 C4 3F BA 35 B0
2B A6 21 9C 17 92 0D 88 03 7E F9 74 EF 6A E5 60
test done.

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