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@earthen94

x86ベアメタルで浮動小数を使う

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目的

将来x86上でOSを介さずに動く簡単な3Dエンジンを開発したいと思っています。
浮動小数を使うことになりますが、現在の環境で生成される浮動小数の命令が、x87 FPUを使用しているかSSEを使用しているかを確かめます。

参考にした筆者の過去記事

ブートローダや、32ビットへ移行する方法及びC言語でのベアメタル開発の手順は以下に纏めています。
DVDから直接起動してC言語を動かす手順
x86ベアメタル直線描画

boot.asm,swtc.asm,linker.ldは前記事中のものを流用しています。

x86ベアメタル三角形描画

C言語及び生成された機械語(逆アセンブル結果)

gcc -m32 -ffreestanding -c float.c -o float.o
objdump -d -M intel float.o
float.c
float add(float f1,float f2){
  return f1+f2;
}

float sub(float f1,float f2){
  return f1-f2;
}

float mul(float f1, float f2) {
    return f1 * f2;
}

float div(float f1, float f2) {
    return f1 / f2;
}


int main(){
  float num1=1.234;
  float num2=5.678;
  float num3=add(num1,num2);
  float num4=sub(num1,num2);
  float num5=mul(num1,num2);
  float num6=div(num1,num2);
}
逆アセンブル結果 
test@test-fujitsu:~/kaihatsu$ gcc -m32 -ffreestanding -c float.c -o float.o
test@test-fujitsu:~/kaihatsu$ objdump -d -M intel float.o

float.o：     文件格式 elf32-i386


Disassembly of section .text:

00000000 <add>:
   0:	55                   	push   ebp
   1:	89 e5                	mov    ebp,esp
   3:	e8 fc ff ff ff       	call   4 <add+0x4>
   8:	05 01 00 00 00       	add    eax,0x1
   d:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  10:	d8 45 0c             	fadd   DWORD PTR [ebp+0xc]
  13:	5d                   	pop    ebp
  14:	c3                   	ret    

00000015 <sub>:
  15:	55                   	push   ebp
  16:	89 e5                	mov    ebp,esp
  18:	e8 fc ff ff ff       	call   19 <sub+0x4>
  1d:	05 01 00 00 00       	add    eax,0x1
  22:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  25:	d8 65 0c             	fsub   DWORD PTR [ebp+0xc]
  28:	5d                   	pop    ebp
  29:	c3                   	ret    

0000002a <mul>:
  2a:	55                   	push   ebp
  2b:	89 e5                	mov    ebp,esp
  2d:	e8 fc ff ff ff       	call   2e <mul+0x4>
  32:	05 01 00 00 00       	add    eax,0x1
  37:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  3a:	d8 4d 0c             	fmul   DWORD PTR [ebp+0xc]
  3d:	5d                   	pop    ebp
  3e:	c3                   	ret    

0000003f <div>:
  3f:	55                   	push   ebp
  40:	89 e5                	mov    ebp,esp
  42:	e8 fc ff ff ff       	call   43 <div+0x4>
  47:	05 01 00 00 00       	add    eax,0x1
  4c:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  4f:	d8 75 0c             	fdiv   DWORD PTR [ebp+0xc]
  52:	5d                   	pop    ebp
  53:	c3                   	ret    

00000054 <main>:
  54:	55                   	push   ebp
  55:	89 e5                	mov    ebp,esp
  57:	83 ec 20             	sub    esp,0x20
  5a:	e8 fc ff ff ff       	call   5b <main+0x7>
  5f:	05 01 00 00 00       	add    eax,0x1
  64:	d9 80 00 00 00 00    	fld    DWORD PTR [eax+0x0]
  6a:	d9 5d fc             	fstp   DWORD PTR [ebp-0x4]
  6d:	d9 80 04 00 00 00    	fld    DWORD PTR [eax+0x4]
  73:	d9 5d f8             	fstp   DWORD PTR [ebp-0x8]
  76:	ff 75 f8             	push   DWORD PTR [ebp-0x8]
  79:	ff 75 fc             	push   DWORD PTR [ebp-0x4]
  7c:	e8 fc ff ff ff       	call   7d <main+0x29>
  81:	83 c4 08             	add    esp,0x8
  84:	d9 5d f4             	fstp   DWORD PTR [ebp-0xc]
  87:	ff 75 f8             	push   DWORD PTR [ebp-0x8]
  8a:	ff 75 fc             	push   DWORD PTR [ebp-0x4]
  8d:	e8 fc ff ff ff       	call   8e <main+0x3a>
  92:	83 c4 08             	add    esp,0x8
  95:	d9 5d f0             	fstp   DWORD PTR [ebp-0x10]
  98:	ff 75 f8             	push   DWORD PTR [ebp-0x8]
  9b:	ff 75 fc             	push   DWORD PTR [ebp-0x4]
  9e:	e8 fc ff ff ff       	call   9f <main+0x4b>
  a3:	83 c4 08             	add    esp,0x8
  a6:	d9 5d ec             	fstp   DWORD PTR [ebp-0x14]
  a9:	ff 75 f8             	push   DWORD PTR [ebp-0x8]
  ac:	ff 75 fc             	push   DWORD PTR [ebp-0x4]
  af:	e8 fc ff ff ff       	call   b0 <main+0x5c>
  b4:	83 c4 08             	add    esp,0x8
  b7:	d9 5d e8             	fstp   DWORD PTR [ebp-0x18]
  ba:	90                   	nop
  bb:	c9                   	leave  
  bc:	c3                   	ret    

Disassembly of section .text.__x86.get_pc_thunk.ax:

00000000 <__x86.get_pc_thunk.ax>:
   0:	8b 04 24             	mov    eax,DWORD PTR [esp]
   3:	c3                   	ret

加減乗除それぞれの命令

x87 FPUを使用する命令に変換されていることが分かった。

加算

   d:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  10:	d8 45 0c             	fadd   DWORD PTR [ebp+0xc]

減算

  22:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  25:	d8 65 0c             	fsub   DWORD PTR [ebp+0xc]

乗算

  37:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  3a:	d8 4d 0c             	fmul   DWORD PTR [ebp+0xc]

除算

  4c:	d9 45 08             	fld    DWORD PTR [ebp+0x8]
  4f:	d8 75 0c             	fdiv   DWORD PTR [ebp+0xc]

FPU の初期化

BIOS内でFPUを初期化しているかも知れないが、念の為に明示的に初期化しておく。

    mov eax, cr0

    ; EM(bit2)=0, TS(bit3)=0, MP(bit1)=1
    and eax, 11111111111111111111111111110011b
    or  eax, 00000000000000000000000000000010b

    mov cr0, eax

    fninit              ; FPUの初期化

動作検証

QEMU

qemu-system-i386 -cdrom os.iso -m 512 -boot d
截图 2026-07-13 20-09-03

dynabook SS M10 11L/2

sudo dvd+rw-format -blank=fast /dev/sr0
sudo growisofs -dvd-compat -Z /dev/sr0=os.iso
f5615c403df0e8 
sudo dvd+rw-format -blank=fast /dev/sr0
sudo growisofs -dvd-compat -Z /dev/sr0=os.iso

コード

ビルドコマンド 
rmdir tmp
mkdir tmp

nasm -f bin boot.asm -o tmp/boot.bin

gcc -m32 -ffreestanding -c kernel.c -o tmp/kernel.o
nasm -f elf32 swtc.asm -o tmp/swtc.o
ld -m elf_i386 -T linker.ld -o tmp/kernel.elf tmp/swtc.o tmp/kernel.o
objcopy -O binary tmp/kernel.elf tmp/kernel.bin
cat tmp/boot.bin tmp/kernel.bin > tmp/disk.img

mkdir iso
cp tmp/disk.img iso/

xorriso -as mkisofs \
  -o os.iso \
  -b disk.img \
  -c boot.cat \
  -no-emul-boot \
  -boot-load-size 4 \
  iso
boot.asm
boot.asm
[org 0x7C00]
bits 16

start:
    cli
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00
    sti
    
    jmp 0x0000:0x7E00

disk_error:
    hlt
    jmp disk_error

times 512-($-$$) db 0 ;CDの為0xAA55は不要
swtc.asm
swtc.asm
bits 16
global start
extern kernel_main


start:
    cli
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax
    mov sp, 0x7C00
    
    mov ax, 0x0003
    int 0x10 
    ;mov ax, 0x0013
    ;int 0x10

    ; VGAリアルモード表示
    mov ax, 0xB800
    mov es, ax

    ; GDTロード
    lgdt [gdt_descriptor]

    ; プロテクトモード有効化
    mov eax, cr0
    or eax, 1
    mov cr0, eax
    
    ; FPU有効化
    mov eax, cr0
    ; EM(bit2)=0, TS(bit3)=0, MP(bit1)=1
    and eax, 11111111111111111111111111110011b
    or  eax, 00000000000000000000000000000010b
    mov cr0, eax
    fninit              ; FPUの初期化

    ; 32ビットコードへ移行
    jmp 0x08:pm_start

; -----------------------------
gdt_start:
    dq 0x0000000000000000            ; NULL

gdt_code:
    dw 0xFFFF                        ; limit 0-15
    dw 0x0000                        ; base 0-15
    db 0x00                          ; base 16-23
    db 0x9A                          ; code segment
    db 0xCF                          ; flags
    db 0x00                          ; base 24-31

gdt_data:
    dw 0xFFFF
    dw 0x0000
    db 0x00
    db 0x92                          ; data segment
    db 0xCF
    db 0x00
gdt_end:

gdt_descriptor:
    dw gdt_end - gdt_start - 1
    dd gdt_start

; -----------------------------
[bits 32]
pm_start:
    ; データセグメント設定
    mov ax, 0x10
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov fs, ax
    mov gs, ax
    mov ss, ax
    mov esp, 0x9FC00
    
    call kernel_main

.hlt_loop:
    hlt
    jmp .hlt_loop
linker.ld
linker.ld
ENTRY(start)

SECTIONS {
    . = 0x7E00;

    .text : {
        *(.text*)
    }

    .rodata : {
        *(.rodata*)
    }

    .data : {
        *(.data*)
    }

    .bss : {
        *(.bss*)
        *(COMMON)
    }
}
kernel.c

void putc(char c) {
    static int pos = 0;
    volatile unsigned short* vram = (unsigned short*)0xB8000;
    vram[pos++] = 0x0F00 | c; //属性 背景色 = 0x0 = 黒 文字色 = 0xF = 白
}

void puts(const char* s) {
    while (*s) putc(*s++);
}

/*
 unsigned int の整数を表示する
(再帰)
put_uint(123)
 └ if (123 >= 10) → put_uint(12)
                     └ if (12 >= 10) → put_uint(1)
                                         └ if (1 >= 10)? NO → putc('1')
                     putc('2')
 putc('3')
*/
void put_uint(unsigned int n) {
    if (n >= 10) put_uint(n / 10);
    putc('0' + (n % 10)); // '0'を足して数字を対応するASCIIコードに変換している
}


void put_int(int n) {
    if (n < 0) {
        putc('-');
        n = -n;
    }
    put_uint((unsigned int)n);
}

// float を表示（小数点以下 max_digits 桁）
void putf(float f, int max_digits) {
    if (f < 0.0f) {
        putc('-');
        f = -f;
    }

    // 整数部
    int int_part = (int)f;
    put_int(int_part);

    putc('.');

    // 小数部
    float frac = f - (float)int_part; // 浮動小数から整数部を引いて小数点以下を取り出す
    for (int i = 0; i < max_digits; i++) {
        frac *= 10.0f; // 小数の次の桁を、整数の一の位に持ってくる
        int digit = (int)frac; // 整数部だけを切り取る
        putc('0' + digit);
        frac -= (float)digit; // 既に表示した1の位の数を消す
    }
}

void kernel_main(void)
{
    puts("float test: ");
    float num1=1.234;
    float num2=5.678;
    float num3=num1+num2;
    putf(num3, 4);
    puts("\n");
}
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