CPU シークレットのロックを解除する:CPUID 命令を使用してシステム情報を取得する

ブートローダー/カーネルを開発する場合、パフォーマンスとソフトウェアとハードウェア間の互換性を最適化するには、基礎となるアーキテクチャを理解することが重要です。

エンジニアがシステム情報をクエリして取得するために利用できる重要でありながら、時には見落とされがちなツールの 1 つは、CPUID 命令です。

CPUID 命令とは何ですか?

CPUID 命令は、最新の x86 および x86-64 プロセッサの中心部にある低レベルの命令で、ソフトウェアがプロセッサとそのサポートされる機能に関する情報を CPU にクエリできるようにします。

この命令を呼び出すことで、プロセッサのモデル、ファミリー、内部キャッシュ サイズ、SIMD やハードウェア仮想化などのサポートされている機能などの情報を収集できます。これは、パフォーマンスを最適化し、サポートされている機能を動的に有効または無効にするのに役立ちます。

ブートローダーまたはカーネルの開発者は、プロセッサがサポートする機能 (ハードウェア仮想化、キャッシュ サイズ、SIMD 命令など) を理解することで、システムが効率的に実行され、作成したコードが異なる CPU 間で互換性があることを確認できます。 CPUID 命令を利用すると、カーネルが実行されている特定のプロセッサに基づいてカーネルの動作を動的に調整できます。

この記事では、CPUID 命令がシステムで利用可能かどうかを確認する方法、CPUID 命令がどのように機能するか、そしてそれを使用することでどのような情報が得られるのかを学びます。

前提条件

• アセンブリ言語に関するある程度の知識 (この例では FASM を使用します)

• オペレーティング システム/カーネルに関するある程度の知識

• 低レベルのデバッグ ツール (GDB など) または QEMU などのハードウェア エミュレータにアクセスして、さまざまなプラットフォームでブートローダー/カーネルをテストします。

ステップ 1:CPUID が利用可能かどうかを確認する

すべての CPU がこの機能を備えていることが保証されているわけではないため、CPUID 命令を実行する前に、プロセッサが CPUID 命令をサポートしているかどうかを判断することが重要です。次のコードは、EFLAGS レジスタの ID ビット (ビット 21) を変更してテストすることにより、CPUID 命令が使用できるかどうかをチェックします。

これは、EFLAGS レジスタの各ビットを示す wiki.osdev.org の図です。

プロセッサがこのビットの切り替えを許可している場合、CPUID がサポートされます。それ以外の場合はそうではありません。検出プロセスの仕組みは次のとおりです。

(ほとんどの人は、リアル モードでは 32 レジスタにアクセスできないと考えていますが、そうではありません。すべての 32 ビット レジスタが使用可能です)

cpuid_check:
 pusha ; save state
 pushfd ; Save EFLAGS
 pushfd ; Store EFLAGS
 xor dword [esp],0x00200000 ; Invert the ID bit in stored EFLAGS
 popfd ; Load stored EFLAGS (with ID bit inverted)
 pushfd ; Store EFLAGS again (ID bit may or may not be inverted)
 pop eax ; eax = modified EFLAGS (ID bit may or may not be inverted)
 xor eax,[esp] ; eax = whichever bits were changed
 popfd ; Restore original EFLAGS
 and eax,0x00200000 ; eax = zero if ID bit can't be changed, else non-zero
 cmp eax,0x00
 je .cpuid_instruction_not_is_available
.cpuid_instruction_is_available:
 ;handle CPUID exists
.cpuid_instruction_not_is_available:
 ;handle CPUID isn't supported
.cpuid_check_end:
 popa ; restore state
 ret

pusha :すべての汎用レジスタを保存して、最後に元の状態を確実に復元できるようにします。

pushfd :現在の EFLAGS レジスタを保存します。

pushfd :EFLAGS のコピーを保存します。

xor dword [esp], 0x00200000 :コードは、XOR 演算子を使用して EFLAGS の ID ビット (21) を反転します。

popfd :ID ビットを反転して、変更された EFLAGS を復元します。

pushfd :変更された EFLAGS をスタックにプッシュします。

pop eax :変更された EFLAGS (ID ビットは反転される場合とされない場合があります) を EAX レジスタに置きます。

xor eax, [esp] :XOR 演算の後、EAX には変更されたビットが含まれます。

popfd :元の EFLAGS を復元します。

and eax, 0x00200000 :and この操作は、他のすべてのビットをマスクすることによって 21 番目のビット (ID ビット) を分離します。この操作の後、EAX レジスタには 0x00200000 (21 ビットが変更された場合、つまり CPUID がサポートされている場合) または 0x00 (21 ビットが変更されていない、CPUID がサポートされていない場合) が含まれます。

cmp eax, 0x00 :CMP 命令は、前の操作の結果をチェックします。 EAX が 0x00 に等しい場合、ID ビットは変更できず、プロセッサが CPUID 命令をサポートしていないことを意味します。ゼロでない場合は、ID ビットが反転され、プロセッサが CPUID 命令をサポートしていることを意味します。

CPU 機能を取得する

CPUID 命令は、EAX レジスタ内の異なる値を持つ異なる情報を返します。

mov eax, 0x1
cpuid

EAX を 1 に設定すると、CPUID は EDX のビットフィールドを返します。これには次の値が含まれます。ブランドが異なると、これらに異なる意味が与えられる場合があります (出典 https://wiki.osdev.org/CPUID)

enum {
 CPUID_FEAT_ECX_SSE3 = 1 << 0,
 CPUID_FEAT_ECX_PCLMUL = 1 << 1,
 CPUID_FEAT_ECX_DTES64 = 1 << 2,
 CPUID_FEAT_ECX_MONITOR = 1 << 3,
 CPUID_FEAT_ECX_DS_CPL = 1 << 4,
 CPUID_FEAT_ECX_VMX = 1 << 5,
 CPUID_FEAT_ECX_SMX = 1 << 6,
 CPUID_FEAT_ECX_EST = 1 << 7,
 CPUID_FEAT_ECX_TM2 = 1 << 8,
 CPUID_FEAT_ECX_SSSE3 = 1 << 9,
 CPUID_FEAT_ECX_CID = 1 << 10,
 CPUID_FEAT_ECX_SDBG = 1 << 11,
 CPUID_FEAT_ECX_FMA = 1 << 12,
 CPUID_FEAT_ECX_CX16 = 1 << 13,
 CPUID_FEAT_ECX_XTPR = 1 << 14,
 CPUID_FEAT_ECX_PDCM = 1 << 15,
 CPUID_FEAT_ECX_PCID = 1 << 17,
 CPUID_FEAT_ECX_DCA = 1 << 18,
 CPUID_FEAT_ECX_SSE4_1 = 1 << 19,
 CPUID_FEAT_ECX_SSE4_2 = 1 << 20,
 CPUID_FEAT_ECX_X2APIC = 1 << 21,
 CPUID_FEAT_ECX_MOVBE = 1 << 22,
 CPUID_FEAT_ECX_POPCNT = 1 << 23,
 CPUID_FEAT_ECX_TSC = 1 << 24,
 CPUID_FEAT_ECX_AES = 1 << 25,
 CPUID_FEAT_ECX_XSAVE = 1 << 26,
 CPUID_FEAT_ECX_OSXSAVE = 1 << 27,
 CPUID_FEAT_ECX_AVX = 1 << 28,
 CPUID_FEAT_ECX_F16C = 1 << 29,
 CPUID_FEAT_ECX_RDRAND = 1 << 30,
 CPUID_FEAT_ECX_HYPERVISOR = 1 << 31,
 CPUID_FEAT_EDX_FPU = 1 << 0,
 CPUID_FEAT_EDX_VME = 1 << 1,
 CPUID_FEAT_EDX_DE = 1 << 2,
 CPUID_FEAT_EDX_PSE = 1 << 3,
 CPUID_FEAT_EDX_TSC = 1 << 4,
 CPUID_FEAT_EDX_MSR = 1 << 5,
 CPUID_FEAT_EDX_PAE = 1 << 6,
 CPUID_FEAT_EDX_MCE = 1 << 7,
 CPUID_FEAT_EDX_CX8 = 1 << 8,
 CPUID_FEAT_EDX_APIC = 1 << 9,
 CPUID_FEAT_EDX_SEP = 1 << 11,
 CPUID_FEAT_EDX_MTRR = 1 << 12,
 CPUID_FEAT_EDX_PGE = 1 << 13,
 CPUID_FEAT_EDX_MCA = 1 << 14,
 CPUID_FEAT_EDX_CMOV = 1 << 15,
 CPUID_FEAT_EDX_PAT = 1 << 16,
 CPUID_FEAT_EDX_PSE36 = 1 << 17,
 CPUID_FEAT_EDX_PSN = 1 << 18,
 CPUID_FEAT_EDX_CLFLUSH = 1 << 19,
 CPUID_FEAT_EDX_DS = 1 << 21,
 CPUID_FEAT_EDX_ACPI = 1 << 22,
 CPUID_FEAT_EDX_MMX = 1 << 23,
 CPUID_FEAT_EDX_FXSR = 1 << 24,
 CPUID_FEAT_EDX_SSE = 1 << 25,
 CPUID_FEAT_EDX_SSE2 = 1 << 26,
 CPUID_FEAT_EDX_SS = 1 << 27,
 CPUID_FEAT_EDX_HTT = 1 << 28,
 CPUID_FEAT_EDX_TM = 1 << 29,
 CPUID_FEAT_EDX_IA64 = 1 << 30,
 CPUID_FEAT_EDX_PBE = 1 << 31
};

上記の CPU 機能の簡単な説明:

• PCLMUL, AES :高速暗号化と復号化のための暗号化命令セット。

• VMX, SMX :仮想マシンを実行するための仮想化サポート。

• SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, AVX :SIMD 命令セットにより、マルチメディア、数学、ベクトル処理が高速化されます。

• FMA :乗算と加算を融合し、浮動小数点計算のパフォーマンスを向上させます。

• RDRAND :乱数生成器。

• X2APIC :マルチプロセッサ システムにおける高度な割り込み処理。

• PCID :コンテキスト切り替え中のメモリ管理を最適化します。

• FPU :演算処理を高速化するためのハードウェア浮動小数点ユニット。

• PAE :物理アドレス拡張。4 GB を超えるメモリのアドレス指定が可能です。

• HTT :単一の CPU コアが複数のスレッドを処理できるようにします。

• PAT, PGE :キャッシュとページ マッピングを制御するためのメモリ管理機能。

• MMX, SSE, SSE2 :マルチメディア処理用の古い SIMD 命令セット。

CPU ベンダー文字列の取得

CPU ベンダー文字列を取得したい場合は、CPUID 命令を呼び出す前に EAX を 0×0 に設定する必要があります。

mov eax, 0x0
cpuid

ベンダー文字列は、AMD や Intel などの CPU ベンダーが使用する一意の識別子です。例としては、AuthenticIntel (Intel プロセッサ用) または AuthenticAMD (AMD プロセッサ用) があります。基本的には CPU の製造元を指定します。

ベンダー文字列を使用すると、カーネルは CPU の製造元を識別できるようになります。これは、製造元によって特定の機能の実装方法が異なるため、非常に役立ちます。また、ソフトウェアまたはドライバーは、互換性を確保するために、CPU メーカーに応じて異なる方法で相互作用することができます。

このように使用すると、ベンダー ID 文字列が EBX、EDX、ECX レジスタに返されます。それらをバッファに書き込んで、完全な 12 文字の文字列を取得できます。

コード例:

ステップ 1:バッファ

12 バイトを保持できるバッファを作成します。

buffer: db 12 dup(0), 0xA, 0xD, 0

ステップ 2:バッファを印刷する

まず、文字列出力関数を作成します。

このアセンブリ コードは文字列を 1 文字ずつ読み取り、BIOS 割り込み 0x10 を使用して画面に出力します。 print 関数は文字列をループし、lodsb を使用します。 al 内の各文字をロードする命令 登録します。

次に、print_char この関数は割り込み 0x10 を使用して画面に表示します。コードが文字列の終わり (null ターミネータ) に達すると、ループが終了します。

print_string:
 call print
 ret
print:
.loop: 
 lodsb ;read character to al and then increment
 cmp al ,0 ;check if we reached the end
 je .done ;we reached null terminator, finish
 call print_char ;print character
 jmp .loop ;jump back into the loop
.done:
 ret
print_char:
 mov ah, 0eh
 int 0x10
 ret

ステップ 3:バッファを埋めて印刷する

ここでは、pusha を使用して現在の状態を保存した後、 命令と cpuid の呼び出し EAX レジスタに 0x0 を渡すと、ebx の内容を保存できます。 、edx 、ecx バッファに。次に、print_string を呼び出します。 印刷してください。

get_cpu_vendor:
 pusha
 mov eax, 0x0
 cpuid
 mov [buffer], ebx
 mov [buffer + 4], edx
 mov [buffer + 8], ecx
 mov si, buffer 
 call print_string
 popa
 ret

私の YouTube チャンネルのビデオでは、上記のコードを実装して詳しく説明しています

EAX レジスタに渡された値に従って CPUID 命令がどのような情報を提供できるかについての詳細は、https://gitlab.com/x86-cpuid.org/x86-cpuid-db

を参照してください。

エピローグ

CPUID 命令を理解して使用することで、ブートローダー/カーネルを幅広いプロセッサにさらに適応させることができます。命令の可用性を検出し、CPU 機能、キャッシュ サイズ、サポートされているテクノロジーなどの重要なシステム情報を取得する方法を知ることで、パフォーマンスと互換性を大幅に向上させることができます。

この記事を読んだ後は、CPUID 命令とそれを独自のプロジェクトで使用する方法を検討し始めるためのツールと知識が得られるはずです。

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