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[26302] 2020-11-09_一口气看完45个寄存器，CPU核心技术大揭秘

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-11-09_一口气看完45个寄存器，CPU核心技术大揭秘 一 口 气 看 完 4 5 个 寄 存 器 ， C P U 核 心 技 术 大 揭 秘 L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 1 1 - 0 9 以 下 文 章 来 源 于 编 程 技 术 宇 宙   ， 作 者 轩 辕 之 风 O 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 编 程 技 术 宇 宙 编 程 技 术 宇 宙 序 言 序 言 前 段 时 间 ， 我 连 续 写 了 十 来 篇 C P U 底 层 系 列 技 术 故 事 文 章 ， 有 不 少 读 者 私 信 我 让 我 写 一 下 C P U 的 寄 存 器 。 寄 存 器 这 个 太 多 太 复 杂 ， 不 适 合 写 故 事 ， 拖 了 很 久 ， 总 算 是 写 完 了 ， 这 篇 文 章 就 来 详 细 聊 聊 x 8 6 / x 6 4 架 架 构 构 的 C P U 中 那 些 纷 繁 复 杂 的 寄 存 器 们 。 长 文 预 警 ， 时 速 较 快 ， 请 系 好 安 全 带 ～ 起 飞 ~ 自 1 9 4 6 年 冯 · 诺 伊 曼 领 导 下 诞 生 的 世 界 上 第 一 台 通 用 电 子 计 算 机 E N I A C 至 今 ， 计 算 机 技 术 已 经 发 展 了 七 十 多 载 。 从 当 初 专 用 于 数 学 计 算 的 庞 然 大 物 ， 到 后 来 大 型 机 服 务 器 时 代 ， 从 个 人 微 机 技 术 蓬 勃 发 展 ， 到 互 联 网 浪 潮 席 卷 全 球 ， 再 到 移 动 互 联 网 、 云 计 算 日 新 月 异 的 当 下 ， 计 算 机 变 的 形 态 各 异 ， 无 处 不 在 。 这 七 十 多 年 中 ， 出 现 了 数 不 清 的 编 程 语 言 ， 通 过 这 些 编 程 语 言 ， 又 开 发 了 无 数 的 应 用 程 序 。 编 程 技 术 宇 宙 编 程 技 术 宇 宙   . 一 个 文 章 很 酷 的 公 众 号 ~
可 无 论 什 么 样 的 应 用 程 序 ， 什 么 样 的 编 程 语 言 ， 最 终 的 程 序 逻 辑 都 是 要 交 付 给 C P U 去 执 行 实 现 的 （ 当 然 这 里 有 些 不 严 谨 ， 除 了 C P U ， 还 有 协 处 理 器 、 G P U 等 等 ） 。 所 以 了 解 和 学 习 C P U 的 原 理 都 是 对 计 算 机 基 础 知 识 的 夯 实 大 有 裨 益 。 在 七 十 多 年 的 漫 长 历 程 中 ， 也 涌 现 了 不 少 架 构 的 C P U 。 M I P S P o w e r P C x 8 6 / x 6 4 I A 6 4 A R M · · · · · · 这 篇 文 章 就 以 市 场 应 用 最 为 广 泛 的 x 8 6 - x 6 4 架 构 为 目 标 ， 通 过 学 习 了 解 它 内 部 的 1 0 0 个 寄 存 器 功 能 作 用 ， 来 串 联 阐 述 C P U 底 层 工 作 原 理 。 通 过 这 篇 文 章 ， 你 将 了 解 到 ： 通 过 这 篇 文 章 ， 你 将 了 解 到 ：
C P U 指 令 执 行 原 理 内 存 寻 址 技 术 软 件 调 试 技 术 原 理 中 断 与 异 常 处 理 系 统 调 用 C P U 多 任 务 技 术 什 么 是 寄 存 器 ？ 什 么 是 寄 存 器 ？ 寄 存 器 是 C P U 内 部 用 来 存 放 数 据 的 一 些 小 型 存 储 区 域 ， 用 来 暂 时 存 放 参 与 运 算 的 数 据 和 运 算 结 果 以 及 一 些 C P U 运 行 需 要 的 信 息 。 x 8 6 架 构 C P U 走 的 是 复 杂 指 令 集 （ 复 杂 指 令 集 （ C I S C ） ）   路 线 ， 提 供 了 丰 富 的 指 令 来 实 现 强 大 的 功 能 ， 与 此 同 时 也 提 供 了 大 量 寄 存 器 来 辅 助 功 能 实 现 。 这 篇 文 章 将 覆 盖 下 面 这 些 寄 存 器 ： 通 用 寄 存 器 标 志 寄 存 器 指 令 寄 存 器 段 寄 存 器 控 制 寄 存 器 调 试 寄 存 器 描 述 符 寄 存 器 任 务 寄 存 器 M S R 寄 存 器 通 用 寄 存 器 通 用 寄 存 器 首 当 其 冲 的 是 通 用 寄 存 器 ， 这 些 的 寄 存 器 是 程 序 执 行 代 码 最 最 常 用 ， 也 最 最 基 础 的 寄 存 器 ， 程 序 执 行 过 程 中 ， 绝 大 部 分 时 间 都 是 在 操 作 这 些 寄 存 器 来 实 现 指 令 功 能 。 所 谓 通 用 ， 即 这 些 寄 存 器 C P U 没 有 特 殊 的 用 途 ， 交 给 应 用 程 序 “ 随 意 ” 使 用 。 注 意 ， 这 个 随 意 ， 我 打 了 引 号 ， 对 于 有 些 寄 存 器 ， C P U 有 一 些 潜 规 则 ， 用 的 时 候 要 注 意 。
e a x :   通 常 用 来 执 行 加 法 ， 函 数 调 用 的 返 回 值 一 般 也 放 在 这 里 面 e b x :   数 据 存 取 e c x :   通 常 用 来 作 为 计 数 器 ， 比 如 f o r 循 环 e d x :   读 写 I / O 端 口 时 ， e d x 用 来 存 放 端 口 号 e s p :   栈 顶 指 针 ， 指 向 栈 的 顶 部 e b p :   栈 底 指 针 ， 指 向 栈 的 底 部 ， 通 常 用 的 形 式 来 定 位 函 数 存 放 在 栈 中 的 局 部 变 量 e s i :   字 符 串 操 作 时 ， 用 于 存 放 数 据 源 的 地 址 e d i :   字 符 串 操 作 时 ， 用 于 存 放 目 的 地 址 的 ， 和 e s i 两 个 经 常 搭 配 一 起 使 用 ， 执 行 字 符 串 的 复 制 等 操 作 在 x 6 4 架 构 中 ， 上 面 的 通 用 寄 存 器 都 扩 展 成 为 6 4 位 版 本 ， 名 字 也 进 行 了 升 级 。 当 然 ， 为 了 兼 容 3 2 位 模 式 程 序 ， 使 用 上 面 的 名 字 仍 然 是 可 以 访 问 的 ， 相 当 于 访 问 6 4 位 寄 存 器 的 低 3 2 位 。 r a x   r b x   r c x   r d x   r s p   r b p   r s i   r d i 除 了 扩 展 原 来 存 在 的 通 用 寄 存 器 ， x 6 4 架 构 还 引 入 了 8 个 新 的 通 用 寄 存 器 ： r 8 - r 1 5 在 原 来 3 2 位 时 代 ， 函 数 调 用 时 ， 那 个 时 候 通 用 寄 存 器 少 ， 参 数 绝 大 多 数 时 候 是 通 过 线 程 的 栈 来 进 行 传 递 （ 当 然 也 有 使 用 寄 存 器 传 递 的 ， 比 如 著 名 的 C + +   t h i s 指 针 指 针 使 用 e c x 寄 存 器 传 递 ， 不 过 能 用 的 寄 存 器 毕 竟 不 多 ） 。 进 入 x 6 4 时 代 ， 寄 存 器 资 源 富 裕 了 ， 参 数 传 递 绝 大 多 数 都 是 用 寄 存 器 来 传 了 。 寄 存 器 传 参 的 好 处 是 速 度 寄 存 器 传 参 的 好 处 是 速 度 快 ， 减 少 了 对 内 存 的 读 写 次 数 。 快 ， 减 少 了 对 内 存 的 读 写 次 数 。 当 然 ， 具 体 使 用 栈 还 是 用 寄 存 器 传 参 数 ， 这 个 不 是 编 程 语 言 决 定 的 ， 而 是 编 译 器 在 编 译 生 成 C P U 指 令 时 决 定 的 ， 如 果 编 译 器 非 要 在 x 6 4 架 构 C P U 上 使 用 线 程 栈 来 传 参 那 也 不 是 不 行 ， 这 个 对 高 级 语 言 是 无 感 知 的 。 标 志 寄 存 器 标 志 寄 存 器 标 志 寄 存 器 ， 里 面 有 众 多 标 记 位 ， 记 录 了 C P U 执 行 指 令 过 程 中 的 一 系 列 状 态 ， 这 些 标 志 大 都 由 C P U 自 动 设 置 和 修 改 ： e b p + 偏 移 量
C F   进 位 标 志 P F   奇 偶 标 志 Z F   零 标 志 S F   符 号 标 志 O F   补 码 溢 出 标 志 T F   跟 踪 标 志 I F   中 断 标 志 · · · · · · 在 x 6 4 架 构 下 ， 原 来 的 e f l a g s 寄 存 器 升 级 为 6 4 位 的 r f l a g s ， 不 过 其 高 3 2 位 并 没 有 新 增 什 么 功 能 ， 保 留 为 将 来 使 用 。 指 令 寄 存 器 指 令 寄 存 器
e i p :   指 令 寄 存 器 可 以 说 是 C P U 中 最 最 重 要 的 寄 存 器 了 ， 它 指 向 了 下 一 条 要 执 行 的 指 令 所 存 放 的 地 址 ， C P U 的 工 作 其 实 就 是 不 断 取 出 它 指 向 的 指 令 ， 然 后 执 行 这 条 指 令 ， 同 时 指 令 寄 存 器 继 续 指 向 下 面 一 条 指 令 ， 如 此 不 断 重 复 ， 这 就 是 C P U 工 作 的 基 本 日 常 。 而 在 漏 洞 攻 击 中 ， 黑 客 想 尽 办 法 费 尽 心 机 都 想 要 修 改 指 令 寄 存 器 的 地 址 ， 从 而 能 够 执 行 恶 意 代 码 。 同 样 的 ， 在 x 6 4 架 构 下 ， 3 2 位 的 e i p 升 级 为 6 4 位 的 r i p 寄 存 器 。 段 寄 存 器 段 寄 存 器 段 寄 存 器 与 C P U 的 内 存 寻 址 技 术 紧 密 相 关 。 早 在 1 6 位 的 8 0 8 6 C P U 时 代 ， 内 存 资 源 宝 贵 ， C P U 使 用 分 段 式 内 存 寻 址 技 术 ： 1 6 位 的 寄 存 器 能 寻 址 的 范 围 是 6 4 K B ， 通 过 引 入 段 的 概 念 ， 将 内 存 空 间 划 分 为 不 同 的 区 域 ： 分 段 ， 通 过 段 基 址 + 段 内 偏 移 段 方 式 来 寻 址 。 这 样 一 来 ， 段 的 基 地 址 保 存 在 哪 里 呢 ？ 8 0 8 6 C P U 专 门 设 置 了 几 个 段 寄 存 器 用 来 保 存 段 的 基 地 址 ， 这 就 是 段 寄 存 器 段 的 由 来 。 段 寄 存 器 也 是 1 6 位 的 。 段 寄 存 器 有 下 面 6 个 ， 前 面 4 个 是 早 期 1 6 位 模 式 就 引 入 了 ， 到 了 3 2 位 时 代 ， 又 新 增 了 f s 和 g s 两 个 段 寄 存 器 。
c s :   代 码 段 d s :   数 据 段 s s :   栈 段 e s :   扩 展 段 f s :   数 据 段 g s :   数 据 段 段 寄 存 器 里 面 存 储 的 内 容 与 C P U 当 前 工 作 的 内 存 寻 址 模 式 紧 密 相 关 。 当 C P U 处 于 1 6 位 实 地 址 模 式 下 时 ， 段 寄 存 器 存 储 段 的 基 地 址 ， 寻 址 时 ， 将 段 寄 存 器 内 容 左 移 4 位 （ 乘 以 1 6 ） 得 到 段 基 地 址 + 段 内 偏 移 得 到 最 终 的 地 址 。 当 C P U 工 作 于 保 护 模 式 下 ， 段 寄 存 器 存 储 的 内 容 不 再 是 段 基 址 了 ， 此 时 的 段 寄 存 器 中 存 放 的 是 段 选 择 段 选 择 子 子 ， 用 来 指 示 当 前 这 个 段 寄 存 器 “ 指 向 ” 的 是 哪 个 分 段 。 注 意 我 这 里 的 指 向 打 了 引 号 ， 段 寄 存 器 中 存 储 的 并 不 是 内 存 段 的 直 接 地 址 ， 而 是 段 选 择 子 ， 它 的 结 构 如 下 ： 1 6 个 b i t 长 度 的 段 寄 存 器 内 容 划 分 了 三 个 字 段 ： P R L :   特 权 请 求 级 ， 就 是 我 们 常 说 的 r i n g 0 - r i n g 3 四 个 特 权 级 。 T I :   0 表 示 用 的 是 全 局 描 述 符 表 G D T ， 1 表 示 使 用 的 是 局 部 描 述 符 表 L D T 。 I n d e x :   这 是 一 个 表 格 中 表 项 的 索 引 值 ， 这 个 表 格 叫 内 存 描 述 符 表 内 存 描 述 符 表 ， 它 的 每 一 个 表 项 都 描 述 了 一 个 内 存 分 段 。 这 里 提 到 了 两 个 表 ， 全 局 描 述 符 表 G D T 和 局 部 描 述 符 表 L D T ， 关 于 这 两 个 表 的 介 绍 ， 下 面 介 绍 描 述 符 寄 存 器 时 再 详 述 ， 这 里 只 需 要 知 道 ， 这 是 C P U 支 持 分 段 式 内 存 管 理 需 要 的 表 格 ， 放 在 内 存 中 ， 表 格 中 的 每 一 项 都 是 一 个 描 述 符 ， 记 录 了 一 个 内 存 分 段 的 信 息 。
保 护 模 式 下 的 段 寄 存 器 和 段 描 述 符 到 最 后 的 内 存 分 段 ， 通 过 下 图 的 方 式 联 系 在 一 起 ： 通 用 寄 存 器 、 段 寄 存 器 、 标 志 寄 存 器 、 指 令 寄 存 器 ， 这 四 组 寄 存 器 共 同 构 成 了 一 个 基 本 的 指 令 执 行 环 境 ， 一 个 线 程 的 上 下 文 也 基 本 上 就 是 这 些 寄 存 器 ， 在 执 行 线 程 切 换 的 时 候 ， 就 是 修 改 它 们 的 内 容 。
控 制 寄 存 器 控 制 寄 存 器 控 制 寄 存 器 是 C P U 中 一 组 相 当 重 要 的 寄 存 器 ， 我 们 知 道 e f l a g s 寄 存 器 记 录 了 当 前 运 行 线 程 的 一 系 列 关 键 信 息 。 那 C P U 运 行 过 程 中 自 身 的 一 些 关 键 信 息 保 存 在 哪 里 呢 ？ 答 案 是 控 制 寄 存 器 ！
3 2 位 C P U 总 共 有 c r 0 - c r 4 共 5 个 控 制 寄 存 器 ， 6 4 位 增 加 了 c r 8 。 他 们 各 自 有 不 同 的 功 能 ， 但 都 存 储 了 C P U 工 作 时 的 重 要 信 息 ： c r 0 :   存 储 了 C P U 控 制 标 记 和 工 作 状 态 c r 1 :   保 留 未 使 用 c r 2 :   页 错 误 出 现 时 保 存 导 致 出 错 的 地 址 c r 3 :   存 储 了 当 前 进 程 的 虚 拟 地 址 空 间 的 重 要 信 息 — — 页 目 录 页 目 录 地 址 c r 4 :   也 存 储 了 C P U 工 作 相 关 以 及 当 前 人 任 务 的 一 些 信 息 c r 8 :   6 4 位 新 增 扩 展 使 用 其 中 ， C R 0 尤 其 重 要 ， 它 包 含 了 太 多 重 要 的 C P U 信 息 ， 值 得 单 独 关 注 一 下 ：
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