Parchear software SSE4.x para CPU antiguas

Introducción

La mayoría de las CPU modernas son compatibles porque comparten la misma ISA¹. La ISA más común hoy es x86_64, una extensión de 64 bits de la antigua arquitectura x86. La necesidad de operaciones más complejas y rápidas, especialmente en aritmética de coma flotante, ha dado lugar a extensiones como SSE² y AVX³.

Estas extensiones cuentan con varias versiones que permiten al procesador interpretar distintos conjuntos de opcodes. SSE llega hasta la versión 4.2, con una versión 4a exclusiva de AMD. AVX llega hasta AVX-512, pero el conjunto de extensiones más habitual en CPU COTS⁴ es AVX-2.

Al compilar software se puede establecer una flag que determina si el código máquina resultante será compatible con un conjunto concreto de extensiones. Esta elección puede mejorar el rendimiento, ya que las extensiones pueden realizar ciertas operaciones con menos ciclos de CPU.

Sin embargo, las CPU antiguas, que son perfectamente capaces de ejecutar software moderno, pueden haber llegado al mercado antes de que estuvieran disponibles las extensiones más recientes. Por ello, el software compilado con esas instrucciones más nuevas sencillamente no puede ejecutarse en ellas.

Detectar la compatibilidad con extensiones

La descripción de estas extensiones está incluida en las flags de CPUID. La forma más sencilla de comprobar si la CPU admite instrucciones específicas es mediante CPU-Z:

También puedes intentar ejecutar el software. Puede mostrar una ventana emergente diciendo que no es compatible, o simplemente fallar en silencio. Consulta el Visor de eventos de Windows para ver el código 0xC000001D, que indica que se intentó ejecutar una instrucción ilegal.

Proceso de parcheo

Describiré el proceso de parcheo que utilicé para evitar estas instrucciones en el juego Days Gone. Es mi método y no es necesariamente óptimo, pero funciona. Incluso compradores legítimos del juego no podían ejecutarlo en procesadores algo más antiguos; al parchear unas cuantas instrucciones pude hacerlo compatible.

Al ejecutar el juego se produce un CTD⁵ inmediato y el proceso desaparece del Administrador de tareas. No hay advertencias ni indicios del problema.

Configurar el depurador

Carga el juego en x64dbg y establece un breakpoint en EXCEPTION_ILLEGAL_INSTRUCTION. Esta excepción se produce cuando el procesador encuentra un opcode desconocido:

Ejecuta el juego hasta que se alcance este breakpoint. Es posible que encuentres otros; continúa hasta llegar al de la instrucción no válida. Distintos procesadores pueden tener conjuntos de extensiones disponibles diferentes y, por tanto, interpretar opcodes distintos.

Observa que la barra de estado inferior muestra que se detuvo en el breakpoint EXCEPTION_ILLEGAL_INSTRUCTION. Ahora estamos ante un opcode no compatible.

Primer intento: aplicar NOP

Normalmente primero intento aplicar NOP⁶ a la instrucción (clic derecho → Binary → Fill with NOPs). Puede funcionar o no, según la instrucción y el software. Los juegos suelen usar estas instrucciones para decodificar contenido de vídeo, como créditos o cinemáticas.

Sin embargo, aplicar NOP a la instrucción puede romper el software. En ese caso, debemos sustituirla por instrucciones equivalentes que utilicen opcodes disponibles en nuestra CPU.

Buscar instrucciones equivalentes

Una búsqueda de la instrucción pminuw me llevó a este recurso útil, que ofrece sustitutos compatibles con SSE2:

Implementación de PMINUW compatible con SSE2

;   xmm0 = entrada|salida
;   xmm1 = entrada
;   xmm7 = temporal
movdqa xmm7, xmm0    ; Mover xmm0 al temporal
psubusw xmm7, xmm1   ; Resta con saturación sin signo
psubw xmm0, xmm7     ; Resta (sin saturación; aquí nunca habría desbordamiento)

Esto significa que podemos sustituir la instrucción por estas tres para conseguir compatibilidad con SSE2. Sin embargo, la instrucción actual solo ocupa 5 bytes (66:0F383AD1) y necesitamos 3×4 = 12 bytes para el reemplazo. ¿Cómo hacemos que quepa?

Usar code caves

Podemos saltar a otra ubicación que tenga espacio para estas instrucciones y luego saltar de vuelta para continuar la ejecución. Primero, calculemos el espacio necesario:

movdqa  : 4 bytes
psubusw : 4 bytes
psubw   : 4 bytes
jmp     : ≤5 bytes

Necesitamos aproximadamente 17 bytes libres. Busca una "code cave": un área sin usar dentro de la sección ejecutable. Busca un patrón de 17 bytes CC consecutivos o desplázate para encontrar un área vacía:

Abre el primer resultado y escribe las instrucciones de reemplazo. Al final, añade un jmp de vuelta a la instrucción posterior a la que sustituimos. Recuerda ajustar los registros y verificar que el registro temporal no se use en otro lugar:

Completar el parche

Sustituye la instrucción original por un jmp a nuestra code cave:

Eso es todo. Repite hasta que no se alcancen más breakpoints. Para Days Gone, sustituí 12 instrucciones pminuw y 2 pmaxud. Para algunas instrucciones no encontré sustitutos fáciles, así que simplemente les apliqué NOP, y funcionó.

Resumen de pasos

1. Identifica el problema: revisa CPU-Z para ver los conjuntos de instrucciones admitidos o busca el código 0xC000001D en el Visor de eventos de Windows
2. Configura el depurador: carga el ejecutable en x64dbg y establece un breakpoint en EXCEPTION_ILLEGAL_INSTRUCTION
3. Busca instrucciones no compatibles: ejecuta hasta que se alcance el breakpoint para identificar el opcode problemático
4. Prueba NOP primero: a veces basta con rellenar la instrucción con NOP
5. Busca instrucciones equivalentes: busca alternativas compatibles con SSE2 para las instrucciones SSE4.x
6. Localiza code caves: busca espacio vacío (bytes CC) en el ejecutable
7. Parchea la code cave: escribe las instrucciones de reemplazo seguidas de un salto de vuelta
8. Sustituye la instrucción original: haz que salte a tu code cave
9. Repite: continúa hasta parchear todas las instrucciones ilegales

Juegos que requieren instrucciones SSE4.1/4.2

Lista recopilada por mafia47 (algunos juegos también requieren AVX)

Reflexiones finales

Seguro que existen enfoques mejores: automatizar mediante scripts o utilizar plugins de depurador especializados. También estoy trabajando en un emulador genérico que podría ayudarnos a seguir usando CPU más antiguas pero perfectamente capaces. Sería ideal porque la emulación JIT no altera el software original y emularía únicamente las instrucciones necesarias, con una sobrecarga mínima (esperemos).