-
-
SIMD指令学习
-
发表于: 2025-1-14 18:32
-
SIMD指令学习
一、简介：
1、什么是SIMD?
SIMD(Single Instruction, Multiple Data)是一种并行计算技术，通俗来说就是单指令多数据流，它通过向量寄存器存储多个数据元素，并使用单条指令同时对这些数据元素进行处理，从而提高了计算效率。SIMD已被广泛应用于需要大量数据并行计算的领域，包括图像处理、视频编码、信号处理、科学计算等，尤其是在需要处理大量数据的场景下，能够显著提高性能。
而该项技术发展至今，已然是较为成熟了，发展过程中产生了很多套指令集，简单介绍一下，相信不少师傅在做逆向题的时候已经遇到不少了。
2、指令集的发展
2.1、MMX (Multimedia Extensions)
MMX是Intel在1996年推出的SIMD指令集，它在x86处理器上提供了并行处理整数数据的能力。MMX的核心特性是它通过扩展x86架构的寄存器和指令，支持并行处理多个整数数据。MMX使用的是64位寄存器，每个寄存器可以存储多个数据元素（比如8个8位整数，4个16位整数等）。
- 支持数据类型：整数
- 寄存器：MM0-MM7 (每个寄存器64位)
- 常用指令：
PADDQ、PMULUDQ等
MMX虽然具有并行处理整数的能力，但在浮点运算方面的支持较弱，后来被SSE（Streaming SIMD Extensions）系列指令集所取代。
2.2、SSE/SSE2/SSE3/SSE4(Streaming SIMD Extensions)
SSE是Intel在1999年推出的指令集，旨在增强浮点运算的性能。SSE扩展了MMX指令集，并支持浮点和整数运算。SSE支持单精度浮点数运算以及整数运算等指令，并引入了8个独立的128位寄存器，称为XMM0-XMM7。后续发布的SSE2指令集则一方面添加了对双精度浮点数的支持，另一方面也增添了整数处理指令，这些新的整数处理指令能够覆盖MMX指令的功能，从而让旧的MMX指令显得多余。2003年，AMD推出AMD64架构时，又新增了8个XMM寄存器，它们被称为XMM8-XMM15。当CPU处于32位模式时，可用的XMM寄存器为XMM0-XMM7，而当CPU处于64位模式时，可用的XMM寄存器为XMM0-XMM15。此后推出的SSE3/SSE4又添加了更多了SIMD指令。
- 支持数据类型：32位和64位浮点数、整数
- 寄存器：XMM0-XMM15(每个寄存器128位)
- 常用指令：
ADDPS(加法)、MULPS(乘法)、SUBPS(减法)
SSE可以同时对4个32位浮点数进行并行计算，相比于MMX，SSE的浮点运算能力更强。SSE2极大地增强了对双精度浮点数和整数的支持，成为了现代x86处理器中最常用的SIMD指令集之一。SSE3在SSE2的基础上进一步扩展，增加了一些新的指令，主要针对双精度浮点运算、复数计算等。SSE4进一步增强了SIMD的功能，增加了SSE4.1和SSE4.2两个子集，提升了多媒体、加密、解密以及字符串处理的性能。
2.3、AVX/AVX2/AVX-512(Advanced Vector Extensions)
AVX是Intel在2011年推出的扩展，支持256位的寄存器（YMM0-YMM15），并支持更高精度的浮点运算，且允许每个指令处理8个32位浮点数，因此相比于SSE，AVX具有更高的吞吐量。AVX2是AVX的进一步扩展，支持256位的整数和浮点数运算，并且新增了对整数的高级操作，提升了整数运算的并行度，其提升了大数据处理和加密算法的性能，是现代x86处理器中非常重要的指令集。AVX-512是AVX的进一步扩展，支持512位的寄存器，并提供了更多的高级指令，用于大规模数据并行处理和科学计算，其提供了极高的吞吐量，尤其在大规模数据处理和高性能计算中表现优秀，但它的功耗较大，实际应用中并不适用于所有场合。
3、总结
综上所述，我们已经对于SIMD指令这一项技术的发展有了大致的了解，同时对于他们的用法和用途也有了初步认识。x86平台的SIMD指令集从MMX到AVX-512逐步发展，逐渐增加了对浮点数、整数、256位和512位寄存器的支持，性能不断提升。在现代应用中，AVX2和AVX-512的使用越来越普遍，而SSE和MMX则多用于兼容旧系统。
每一代的指令集都兼容上一代，也就是说新一代的指令集也支持使用上一代的指令和寄存器（但硬件实现可能有区别）。此外，AVX对之前的部分指令进行了重构，所以不同代际之间相同功能的函数可能具有不同的接口。不同代际的指令尽量不要混用，因为每次状态切换会有性能消耗，从而拖慢程序的运行速度。代际之间对寄存器及其位宽的更新情况如下：
| 指令集 | 寄存器 | 浮点位宽 | 整型位宽 |
|---|---|---|---|
| MMX | MM0~MM7 | 64 | |
| SSE | XMM0~XMM7 | 128 | |
| SSE2 | XMM0~XMM15 | 128 | 128 |
| AVX | YMM0~YMM15 | 256 | 128 |
| AVX2 | YMM0~YMM15 | 256 | 256 |
二、如何使用
在C++程序中使用SIMD指令有两种方案，一种是使用内联汇编，另一种是使用intrinsic函数。以简单的数组相乘为例，代码的常规写法、内联汇编写法以及intrinsic函数写法分别如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 | float a[4] = { 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 };float b[4] = { 5.0, 6.0, 7.0, 8.0 };float c[4];// 常规写法，用循环实现数组相乘for (int i = 0; i < 4; ++i){ c[i] = a[i] * b[i];}// 使用SIMD指令的内联汇编__asm{ movups xmm0, [a]; // 将a所指内存的128位数据放入xmm0寄存器 movups xmm1, [b]; // 将b所指内存的128位数据放入xmm1寄存器 mulps xmm0, xmm1; // 计算xmm0 * xmm1（4个32位单精度浮点数对位相乘），结果放入xmm0 movups[c], xmm0; // 将xmm0的数据放入c所指内存}// 使用intrinsic函数__m128 va = _mm_loadu_ps(a);__m128 vb = _mm_loadu_ps(b);__m128 vc = _mm_mul_ps(va, vb);_mm_storeu_ps(c, vc);__m128i vd = _mm_set_epi64x(long long int e1, long long int e0); |
三、例题演示
这里选择一道24年国成杯线下的Re题（HappyENC）来做讲解，载入ida之后映入眼帘的就是一堆SIMD指令，看着吓人，其实仔细分析之后，逻辑也是比较清晰的
先看最后的密文比较部分可以知道，总共需要传入的数据总长为96
接着思路往前逆回去，发现这边有两个分支，根据dword_7FF65AF05058的值来走判断，下面的vpmullq指令源于ARM架构 中 NEON SIMD 指令集，针对 64位整数 的 乘法 运算，那么逻辑也就清晰了，这部分应该是为了做兼容而设置的
继续往回看，首先输入内容会被排成6组，每一组是16个字节，总共也就是96个字节，然后有一个对于启动参数的判断，如果在程序启动时直接在后面跟参数的话，si128的值就会受影响，其取值有两种可能（这里使用flag头输入之后动调测试了一下，没有参数传入的分支才是对的），接着就是一些使用SIMD指令来做的异或还有相加之类的操作，后续写脚本到这儿直接按着思路撸代码就好了
ok，现在前半部分的思路都大概清晰了，但是对于做完各种异或和相加之后的相乘操作还是有点朦胧，那么这里直接动调跑起来看看到底是如何做那一步的，0A142AF62CA5B79D7给到寄存器r8之后，r8与rax相乘继续存入原来的位置（rax从rcx取的，然后rcx往后加8个字节的位置赋给rcx，最后rax存入的此时的rcx的位置即是它原来的位置）
那么此处的逻辑即是输入的内容经过前面的异或相加变换之后，每八个字节为一组，与0A142AF62CA5B79D7相乘，得到的结果的低8个字节覆盖原来的内容存入，下图是输入测试内容flag{aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa}经过一系列异或相加和上面的相乘操作之后存入的内容，不难看出前五个字节计算出来的结果是与密文相对应的，那么就说明笔者整体分析的逻辑是对劲的
对于乘法这里的思路是采取求模逆的方法来做，两个大数相乘，直接除是除不回去的，于是直接从网上找个板子求一下0x0A142AF62CA5B79D7的逆元即可继续编写代码往回逆
先使用下列脚本规范一下提取出来的密文
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 | #include <stdio.h>#include <iostream>#include <xmmintrin.h>int main(){ unsigned long unk_140003280[96] = { 0x00000000000000BF, 0x000000000000002E, 0x00000000000000DD, 0x0000000000000028, 0x0000000000000097, 0x0000000000000084, 0x00000000000000B5, 0x0000000000000040, 0x000000000000005F, 0x00000000000000A9, 0x000000000000005D, 0x0000000000000018, 0x00000000000000A8, 0x000000000000000C, 0x0000000000000098, 0x0000000000000009, 0x00000000000000FA, 0x000000000000006D, 0x00000000000000B1, 0x0000000000000032, 0x00000000000000B7, 0x00000000000000A6, 0x000000000000001A, 0x0000000000000079, 0x00000000000000CF, 0x00000000000000CA, 0x00000000000000AD, 0x000000000000002E, 0x0000000000000059, 0x00000000000000B2, 0x0000000000000056, 0x00000000000000D4, 0x00000000000000AA, 0x000000000000002B, 0x000000000000000D, 0x0000000000000042, 0x0000000000000090, 0x0000000000000083, 0x00000000000000C0, 0x000000000000000F, 0x0000000000000016, 0x0000000000000030, 0x0000000000000027, 0x0000000000000081, 0x00000000000000CD, 0x000000000000009C, 0x0000000000000038, 0x00000000000000C0, 0x00000000000000F1, 0x000000000000004D, 0x00000000000000A5, 0x000000000000007F, 0x0000000000000062, 0x0000000000000076, 0x00000000000000AE, 0x00000000000000DD, 0x000000000000009B, 0x0000000000000032, 0x00000000000000D8, 0x000000000000003C, 0x00000000000000CA, 0x000000000000000D, 0x00000000000000A2, 0x00000000000000D4, 0x00000000000000D5, 0x00000000000000DD, 0x000000000000002C, 0x000000000000006D, 0x00000000000000FB, 0x000000000000000E, 0x000000000000005D, 0x00000000000000CD, 0x00000000000000F9, 0x0000000000000088, 0x000000000000006B, 0x00000000000000A1, 0x0000000000000002, 0x00000000000000AD, 0x0000000000000079, 0x000000000000001E, 0x000000000000009E, 0x00000000000000AF, 0x0000000000000006, 0x000000000000001D, 0x0000000000000052, 0x000000000000001E, 0x0000000000000031, 0x00000000000000D1, 0x0000000000000002, 0x0000000000000053, 0x0000000000000096, 0x000000000000006C, 0x0000000000000004, 0x000000000000004C, 0x0000000000000030, 0x000000000000002E}; unsigned char temp[16]={0}; for(int i=0;i<96;) { for(int j=0;j<8;j++) { temp[j]=unk_140003280[i]; i++; } printf("0x"); for(int j=7;j>=0;j--) { printf("%02x",temp[j]); } printf(",\n"); } return 0; } |
然后编写脚本如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 | #include <stdio.h>#include <xmmintrin.h>// 辗转相除法（扩展欧几里得算法）求模反元素unsigned long long mod_inverse(unsigned long long a,unsigned long long mod) { unsigned long long m0 = mod, t, q; unsigned long long x0 = 0, x1 = 1; if (mod == 1) return 0; // 如果模是 1，则没有反元素 while (a > 1) { // 商 q = a / mod; t = mod; mod = a % mod; a = t; t = x0; x0 = x1 - q * x0; x1 = t; } // 如果 x1 小于 0，则调整为正数 if (x1 < 0) x1 += m0; return x1;}int main() { unsigned long long table[12] = { 0x40b5849728dd2ebf, 0x09980ca8185da95f, 0x791aa6b732b16dfa, 0xd456b2592eadcacf, 0x0fc08390420d2baa, 0xc0389ccd81273016, 0xddae76627fa54df1, 0xd4a20dca3cd8329b, 0xcd5d0efb6d2cddd5, 0x1e79ad02a16b88f9, 0xd1311e521d06af9e, 0x2e304c046c965302 }; const unsigned long long MOD = 1LL << 64 - 1; //MOD即规定了找逆元的运算范围，1LL << 64 - 1即表示了64位无符号整数的最大值，于这个范围之内取寻找逆元 unsigned long long inv = mod_inverse(0xA142AF62CA5B79D7, MOD); unsigned long long original[12]; for (int i = 0; i < 12; i++) { original[i] = (table[i] * inv); } __m128i data[7] = { 0 }; for (int i = 0; i < 6; i++) { data[i] = _mm_loadu_si128((__m128i*)(original + 2 * i)); } __m128i addNumber = _mm_set_epi64x(0xe2b7a692404d29f1, 0x22); data[5] = _mm_sub_epi64(data[5], addNumber); data[4] = _mm_sub_epi64(data[4], addNumber); data[2] = _mm_sub_epi64(data[2], addNumber); data[1] = _mm_sub_epi64(data[1], addNumber); __m128i x0rData = _mm_set_epi64x(0xa2e8cb53e715cedf, 0xbb6585dd9353093f); data[5] = _mm_xor_si128(data[4], data[5]); data[4] = _mm_xor_si128(data[3], data[4]); data[3] = _mm_xor_si128(data[2], data[3]); data[2] = _mm_xor_si128(data[2], data[1]); data[1] = _mm_xor_si128(data[0], data[1]); data[0] = _mm_xor_si128(data[0], x0rData); printf("%s", (char*)data); return 0;}//flag{33dfe56d-dc-c9478cea6641-6c0f-2a89a1b24b3a33-07fbc-4ccdff9-fe0a-9a5c30cff1fa-0aca40caf2-cc} |
[培训]内核驱动高级班，冲击BAT一流互联网大厂工作，每周日13:00-18:00直播授课
|
|
|---|---|
|
|
666
|
|
|
|
|
|
最后于 2025-1-14 18:45
被inf_编辑
，原因：
|
|
|
|
