【 *** 作系统】CPU寄存器详解

        寄存器是 CPU 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 CPU 运行需要的信息。

        本文将归纳下面几种寄存器：

目录

一 通用寄存器

二 标志寄存器

三 指令寄存器

四 段寄存器

五 控制寄存器

六 调试寄存器

七 描述符寄存器

八 任务寄存器

九 MSR寄存器

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一 通用寄存器

        最常用的，也是最基础的有8个通用寄存器（注意一般看到的EAX、ECX也是指的这类寄存器再32位CPU上的拓展，另外AL、AH之类是指的这类寄存器的低位、高位）：

寄存器	原文	解释	说明
AX	accumulator	累加寄存器	通常用来执行加法，函数调用的返回值一般也放在这里面
CX	counter	计数寄存器	通常用来作为计数器，比如for循环
DX	data	数据寄存器	数据存取
BX	base	基址寄存器	读写I/O端口时，edx用来存放端口号
SP	stack pointer	栈指针寄存器	栈顶指针，指向栈的顶部
BP	base pointer	基址指针寄存器	栈底指针，指向栈的底部，通常用ebp+偏移量的形式来定位函数存放在栈中的局部变量
SI	source index	源变址寄存器	字符串 *** 作时，用于存放数据源的地址
DI	destination index	目标变址寄存器	字符串 *** 作时，用于存放目的地址的，和esi两个经常搭配一起使用，执行字符串的复制等 *** 作

二 标志寄存器

        标志寄存器，里面有众多标记位，记录了 CPU 执行指令过程中的一系列状态，这些标志大都由 CPU 自动设置和修改：

寄存器	解释
CF	进位标志
PF	奇偶标志
ZF	零标志
SF	符号标志
OF	补码溢出标志
TF	跟踪标志
IF	中断标志
......

三 指令寄存器

        eip: 指令寄存器可以说是CPU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，CPU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CPU工作的基本日常。

        在 x64 架构下，32位的 eip 升级为64位的 rip寄存器。

四 段寄存器

        通过引入分段的概念，将内存空间划分为不同的区域，并通过段基址+段内偏移来寻址。

        段寄存器就是用来保存段基地址的。

寄存器	原文	解释
ES	extra segment	附加段寄存器
CS	code segment	代码段寄存器
SS	stack segment	栈段寄存器
DS	data segment	数据段寄存器
FS	segment part 2	无名寄存器
GS	segment part 3	无名寄存器

        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。

五 控制寄存器

        控制寄存器CR0,CR1(保留),CR2,CR3和CR4（64位新增CR8）决定处理器的工作模式和当前执行的任务的特性。

寄存器	解释
CR0	存储了CPU控制标记和工作状态，（最重要）
CR1	保留未使用
CR2	页错误出现时保存导致出错的地址
CR3	存储了当前进程的虚拟地址空间的重要信息——页目录地址
CR4	也存储了CPU工作相关以及当前人任务的一些信息
CR8	64位新增扩展使用

        这边重点关注一下CR0寄存器：

         其中：

【1】PG(Paging (bit 31 of CR0)) 设置时启用分页;清除时禁用分页.当分页被禁用时,所有的线性地址都被当作物理地址处理.如果PE标志(寄存器CR0的第0位)没有被设置,PG标志就没有作用;当PE标志被清除时,设置PG标志会导致一个一般保护异常(#GP).

【2】CD(Cache Disable (bit 30 of CR0)) 当CD和NW标志清零时,处理器内部(和外部)缓存中的整个物理内存的内存位置的缓存被启用.当CD标志被设置时,缓存被限制.为了防止处理器访问和更新其缓存,CD标志必须被设置,并且缓存必须被无效化,这样就不会发生缓存命中.

【3】NW(Not Write-through (bit 29 of CR0)) 当NW和CD标志被清零时,回写(对于奔腾4,英特尔至强,P6系列和奔腾处理器)或直写(对于Intel486处理器)被启用以用于命中缓存和失效周期的写入.

【4】AM(Alignment Mask (bit 18 of CR0)) 设置时启用自动对齐检查;清除时禁用对齐检查.只有当AM标志被设置,EFLAGS寄存器中的AC标志被设置,CPL为3,并且处理器工作在受保护或虚拟8086模式下时,才会进行对齐检查.(32位下必须是4字节对齐 / 64位下必须是8字节对齐)

【5】WP(Write Protect (bit 16 of CR0)) 当设置时,禁止超级用户程序(例如特权级0的程序)写入只读页;当清除时,允许超级用户程序(例如特权级0的程序)写入只读页(无论U/S位设置如何).这个标志有利于实现UNIX等 *** 作系统所使用的创建新进程(forking)的写时拷贝法.这个标志必须在软件设置CR4.CET之前设置,只要CR4.CET=1,就不能清除它.

【6】TS(Task Switched (bit 3 of CR0)) 任务切换标志位

【7】PE(Protection Enable (bit 0 of CR0)) 设置时启用保护模式;清除时启用实地址模式.这个标志并不直接启用分页.它只启用段级保护.要启用分页,必须同时设置PE和PG标志.

PG = 0且PE = 0 处理器工作在实地址模式下；

PG = 0且PE = 1 处理器工作在没有开启分页机制的保护模式下；

PG = 1且PE = 0 在PE没有开启的情况下 无法开启PG；

PG = 1且PE = 1 处理器工作在开启了分页机制的保护模式下；

        另外，其他的控制寄存器的具体说明可以参考帖子：控制寄存器说明

六 调试寄存器

        在x86/x64 CPU 内部，还有一组用于支持软件调试的寄存器。

寄存器	解释
DR0-DR3	这是四个用于存储地址的寄存器。
DR4-DR5	这两个有点特殊，受前面提到的CR4寄存器中的标志位DE位控制，如果CR4的DE位是1，则DR4、DR5是不可访问的，访问将触发异常。 如果CR4的DE位是0，则DR4和DR5将会变成DR6和DR7的别名，相当于做了一个软链接。 这样做是为了将DR4、DR5保留，以便将来扩展调试功能时使用。
DR6	这个寄存器中存储了硬件断点触发后的一些状态信息。
DR7	调试控制寄存器，这里面记录了对DR0-DR3这四个寄存器中存储地址的中断方式（是对地址的读，还是写，还是执行）、数据长度（1/2/4个字节）以及作用范围等信息。

七 描述符寄存器

        所谓描述符，其实就是一个数据结构，用来记录一些信息，“描述”’一个东西。

把很多个描述符排列在一起，组成一个表，就成了描述符表。

        描述符寄存器指向描述符表。

在x86/x64系列CPU中，有三个非常重要的描述符寄存器，它们分别存储了三个地址，指向了三个非常重要的描述符表。

寄存器	解释	指向
GDTR	全局描述符表寄存器	全局分段描述符表GDT
LDTR	局部描述符表寄存器	局部分段描述符表LDT
IDTR	中断描述符表寄存器	中断描述符表IDT

        GDTR/LDTR:指向GDT和LDT中的表项，就是段描述符，描述了一个内存分段的信息，其结构如下：

         IDTR:中断描述符表寄存器，指向了中断描述符表IDT，这个表的每一项都是一个中断处理描述符，当CPU执行过程中发生了硬中断、异常、软中断时，将自动从这个表中定位对应的表项，里面记录了发生中断、异常时该去哪里执行处理函数。

八 任务寄存器

        任务寄存器TR，指向当前运行的任务，这是在硬件层面上，对多任务切换的支持。

九 MSR寄存器

        从80486之后的x86架构 CPU，内部增加了一组新的寄存器，统称为 MSR 寄存器，中文直译是模型特定寄存器，意思是这些寄存器不像上面列出的寄存器是固定的，这些寄存器可能随着不同的版本有所变化。

这些寄存器主要用来支持一些新的功能。

        总结，以上就是全部要介绍的寄存器了，但这并不是 x86 CPU 全部所有的寄存器，除了这些，还存在 XMM、MMX、FPU 浮点数运算等其他寄存器，这边也不再赘述了。