计算机程序的三段人生--计算机原理2(寄存器)

前言(wxy)：说到寄存器，迷迷茫茫好多年，首先不知道到底有哪些寄存器，因为不同的博客总会出现几个我不认识的寄存器；其次，想记住每个寄存器的名称，真的太南了；最后，他们到干什么用的，寄存器之间到底什么关系？

 

一：寄存器的分类：

寄存器是硬件的东西，自然其跟CPU的架构有关，随着不同的处理器演变，寄存器个数也在不断的增加。总的来说可先从如下两个维度进行分类，毕竟这样分类完了，我们就可以专心只研究第二类(用户可见的)：

控制和状态寄存器，一般用户不可对其进行编程，他们被控制部件或操作系统使用，以控制CPU的操作，从而控制程序的执行。一般不会在用户代码中出现。

                               比如寻址用的索引表等

运算(用户可见)寄存器，用户可以对这些寄存器进行编程，还可以通过优化使CPU因使用这类寄存器而减少对主存的访问次数，也就是说我们使用汇编语言可以直接对其操作；一般我们说到寄存器基本就指这一类。

 

二：控制和状态寄存器：

参考：https://blog.csdn.net/kwame211/article/details/77773621

CPU中至少要有五类控制寄存器和一类状态寄存器：指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、程序状态字寄存器(PSW)。这些寄存器用来暂存一个计算机字，其数目可以根据需要进行扩充。

1. 数据寄存器(Data Register，DR/MDR)又称数据/指令缓冲寄存器 

    数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在数据寄存器中; 在单累加器结构的运算器中,还可兼作操作数寄存器。

2. 地址寄存器(Address Register，AR/MAR)用来保存CPU当前要所访问的主存单元的地址。

    当CPU和主存进行信息交换，即CPU向主存存入数据/指令或者从主存读出数据/指令时，都要使用该地址寄存器进行寻址，接着用数据寄存器存放寻址得来的数据。

    如果我们把外围设备与主存单元进行统一编址，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样要使用地址寄存器和数据寄存器。

3. 指令寄存器(Instruction Register，IR)用来保存当前正在执行的一条指令。

   当执行一条指令时，首先把该指令从PC指向的主存地址读取到数据寄存器(DR)中，然后再传送至指令寄存器。

   指令包括操作码和地址码两个字段，为了执行指令，必须对操作码进行测试，识别出所要求的操作，指令译码器(Instruction Decoder，ID)就是完成这项工作的。指令译码器对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制电位，      并将其送到微操作控制线路上，在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号。

4. 程序计数器(Program Counter，PC)用来指出下一条指令在主存储器中的地址。

    在程序执行之前，首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC，因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址。

    当执行指令时，CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备。若为单字长指令，则(PC)+1àPC，若为双字长指令，则(PC)+2àPC，以此类推。--此时PC体现的是其计数功能；

     但是，当遇到转移指令时，下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段来指定，而不是像通常的那样通过顺序递增PC的内容来取得。--此时PC寄存器体现的是其寄存功能。

     因此，程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

5. 累加寄存器(Accumulator，AC)是一个通用寄存器。

    当运算器的算术逻辑单元ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。

6. 程序状态字寄存器(Program Status Word，PSW),用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。

     程序状态字寄存器用来保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容，如运算结果进/借位标志(C)、运算结果溢出标志(O)、运算结果为零标志(Z)、运算结果为负标志(N)、运算结果符号标志(S)等，这些标志位通常用1位触发器来保存。除此之外，程序状态字寄存器还用来保存中断和系统工作状态等信息，以便CPU和系统及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，程序状态字寄存器是一个保存各种状态条件标志的寄存器。

 

小小结：运行一段程序，都是怎么使用这些寄存器呢？

              程序/指令是存放在存储系统中的，由CPU负责取指令，分析指令，执行指令，然后再读.....第一条指令可以由系统设定也可以人为指定，具体的工作为

              从PC中读取(第一条)指令的地址到AR中，根据AR寻址读取出数据(在这里是指令)到DR中，再因为是指令所以交给IR，进而由逻辑运算部件ALU去做运算

              但是做运算光有指令不行，还要由被计算的数据啊，所以ALU还会访问DR(这里是数据)以及其他用户操作的寄存器，

              运算的过程中还会产生中间值，那么就需要借助AC来存放了

              整个运算的过程中，PSW作为辅助提供条件码等，以及记录状态等

 　　　 另外，在下一章中会提到(E)IP这个寄存器，同样是用来跟踪下一个将要执行的指令，他们什么关系呢？

                        说法1：(E)IP就是PC，只不过前者是汇编语言中的用来指代PC的编程语言符号；

                        说法2：PC是非intel厂家对IP的称呼，也就是说PC起始跟CS:IP是一回事儿；

                        说法3：参考http://blog.sina.com.cn/s/blog_5ede281a0100sn4w.html#commonComment

                                    总结起来就是：(E)IP是后来Interl家的X86体系具有的东西，其在工作原理上和PC是不同的，但是最终呈现的功能效果是一样的，即都是指导CPU接下来执行哪条指令的，

                                                              而对于现在学习微机原理，我们知道(E)IP就行了。

 

三，计算(用户可见)寄存器

以32位架构(IA-32，即X86体系)为：

CPU相关的：8个通用寄存器；1个指令指针寄存器；1个状态寄存器；6个段寄存器

系统寄存器：5个控制寄存器；3个系统地址寄存器；1个任务寄存器；8个调试寄存器

                       实际上，还有别的寄存器，只不过跟我们写程序没啥关系，一般也就不提了.....

1. 通用寄存器(Extended * register): 8个32位，可以由程序设计者指定其功能，可用于存放操作数，也可以作为满足某种寻址方式所需的寄存器，一般我们会划分这些寄存器做如下用途。

     1)数据/一般寄存器：4个X(?)

          不是做什么特别的功能，就是在程序运行的过程中需要做运算时，所借助的媒介，具体为：

•  EAX(Accumulator)：被称为累加寄存器，用以进行算数运算和返回函数结果等。
•  EBX(Base)：被称为基址寄存器，在内存寻址时(比如数组运算)用以存放基地址。
•  ECX(Counter)：被称为记数寄存器，用以在循环过程中记数。
•  EDX(Data) :  被称为数据寄存器，常配合 eax 一起存放运算结果等数据。

    2)索引寄存器：2个I(index)，也叫做变址和指针寄存器

         用于字符串操作,字符串是一串有序的字符，所以在操作的时候肯定要有索引来标示处理的那个字符,具体为：

• ESI(Source Index): 指向要处理的数据地址?
• EDI(Destination Index):  指向存放处理结果的数据地址?

    3)指针寄存器:  2个P(Pointer):         

      程序运行和函数调用时,都用到栈,不同的程序以及程序中不同的函数,都有各自的栈空间,那么怎么来维护不同的栈?，具体为：

• ESP(Stack Pointer):  栈指针寄存器，其内存放着一个指针,永远指向当前栈的栈顶；
• EBP(Base Pointer)：基址指针寄存器，指向当前栈的栈底。
  wxy: 说到栈，都知道是用来存放函数中的一些局部变量等，即那些由程序临时分配存储的局部变量，一个函数对应一块栈空间，称为栈帧，这俩指针就是指向一个栈帧(函数)的区间。

                   这里要区分一点是，SS也是栈相关的记录，他们有什么关系呢？

                   答：每一个进程/任务都有一块虚拟空间，这块空间有一个段是分给用作栈的，所以用SS记录这段栈空间从哪里开始，可以认为是一旦进程启动，它就是一个静态的属于进程的属性。

                          栈给谁用？给函数代码在运行时动态使用的，所以用了俩指针指向一个函数的首尾。其实ebp是当前栈帧的栈底。esp指向栈帧的栈顶，同样是整个栈段的顶。

                         所以，esp和ebp表示接下来要执行的函数(的栈帧)，所以也常常说指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶/底。 至于具体怎么使用，看编译原理那个章节。

小小结：

         1.关于AX,BX,CX,DX,SI,DI,SP,BP

            有的文档会将寄存器分成如上的类别，那是因为对于16位的操作系统例如8086，通用寄存器的名称就是这些。

             而对于32位的操作系统，刚好就是这些寄存器的名称加上Extended，并且，每个寄存器的的低16位仍然可以用这些名称来表示 。

         2. 对于AX,BX,CX,DX这4个(包括16位和32位)还可以划分成8个独立的8位寄存器，可独立存取，名称为：AH/AL，BH/BL....

         3. 32位的ABCD这四个通用寄存器还可以代替专用寄存器作为指针寄存器，但16位不可以

             同样的，(E)SI, (E)DI, (E)BP, (E)SP也可以用于算术逻辑运算的操作数和结果，

             即，通用寄存器既有其本职工作，也具备"通用"的能力

 

2.指令指针寄存器：1个P(Pointer), 32位，

• EIP(Instruction Pointer)：处理器使用EIP来跟踪下一条要执行的指令,也称为程序计数寄存器

3.状态寄存器：1个P, 32位，   2)EFLAGS(Flags): 1个Flags

      

4.段寄存器(Segment)：6个16位，这些寄存器就和多进程相关了，可以说每个进程都有如下的段，然后这些寄存器就是存放的是当前运行的那个进程的段地址。

                                      具体用法是，在内存分段的管理模式下，段地址结合偏移量(offset)得到目前需要的指令或者数据。

                                      另外，需要注意的是，这个地址是进程空间范围的，那么在保护模式下就是虚拟地址，至于如何到达实际的物理地址，则是另外的原理了。

    1)CS(Code):存放代码段的段值，通过他可以找到代码再内存中的位置。因为二进制在被操作系统加载进内存的时候，总得存放到一个地方，所以这个寄存器就是存放当前进程的代码段的地址。

                         然后结合偏移量(存放再IP寄存器中)，一起定位到下一条指令应该去哪里去取。

    2)ES(Extra):存放附加数据段的段值

    3)DS(Data):存放数据段的段值。即如果想要访问内存中的数据(一般是全局变量之类的，详细看其他章节)，则同样是数据段的地址 结合偏移量(存放在通用寄存器中)

    4)FS():

    5)GS():

    6)SS(Stack):桟寄存器。桟这块和程序调用以及局部变量有关。下面有详细描述二进制程序加载到内存的原理。

   解析：

• 在16位的系统中，只有4个16位段寄存器，GS和SS属于32位新增的；
• 针对CS和DS，想要得到实际的地址，在8086(20位地址总线)架构中，地址=段中的起始地址 *16  + 偏移量，即把CS和DS中的指左移4位变成20位的数据，再加上16位的偏移量

           sgz碎碎念：不知道有没有人疑惑一下，为什么是*16,偏移量也是16是因为IP就是16位的么？反正我当时就是自然而然接受了，都没多想。想在想想，其实很简单呀

                      首先16变成20位自然需要*16(左移4位)；然后何为段，段是一个区间，这种段式寻址就意味着 偏移量 == 段区间的大小，CS和DS代表是第几个段；

                      最后就得出这样的结论：一个段是16位(因为要左移4位)，一共也就有16位(因为段寄存器是16位)，所以偏移量只能是16位(刚好偏移量寄存器就是16位或者大于16位)

                                                             所以我的结论就是，并不是因为偏移量寄存器是16位所以偏移量才是16位，而是因为20位地址决定了偏移量只能是16位(这个理论待证实)

 

• 针对CS和DS，想要得到实际的地址，在32位地址总线架构中，因为其他寄存器都是32位了，也就是说偏移量可以很大了(32位)了，直接就可以寻址了呀，
• 但是又要兼容之前的寻址模式(即分段并左移4位+寄存器这种)，并且现在又出现了保护模式，即每个进程都有4G地址空间，但是是虚拟的，后面会详细说明什么是保护模式，现在就先理解多个进程共享4G空间，所以保护模式下的寻址方式为：

          首先，段寄存器不能改，因为如果改成32位，就直接可以寻址了，就不需要偏移了，所以为了统一，还是16位

          然后，出现了一个新的中间项，叫做段描述符(Segment Descriptor)表项，存放这些表项的叫做全局描述符表（Global Descriptor Table ,GDT，全局唯一）或局部描述符表（Local Descriptor Table, LDT，一个进程一个)， 

                    每个表项存放的是段的起始地址,(相当于之前的 段大小 * 第几段)， 原来的段寄存器中存放的是选择子(Selector)，他表示的含义是 段描述符表中的哪个表项。具体的原理可以看看其他的博文，这里总结下就是：

                      段描述表：存放在内存中，GDT表的具体的入口地址存放在一个新的寄存器GDTR(48位)，通过LGDT指令将GDT的入口地址装入此寄存器，CPU就根据此寄存器中的内容访问GDT表了。

                                       而LDT表的入口地址是通过又一个新的寄存器LDTR(16位)，结合GDT表间接访问到的。

                        　　　　疑问：谁来决定GDT表存放在内存的哪里？然后又是谁执行的LGDT命令去写入到GDTR寄存器中？

                                                 在机器刚加电或处理器复位后，基地址被默认地设置为0，而长度值被设置成0xFFFF。在保护模式初始化过程中必须给GDTR加载一个新值。详见。。。。

　　　　        段描述符表项：是一个8字节长的数据结构，用来描述一个段的位置、大小、访问控制和状态等信息，其中最基本内容是段基址和边界。段基址以4字节表示（图中可看出3,4,5,8字节）; 段边界20位表示（1,2字节及7字节的低四位）。

                                      这些表项初始是存放在内存的段描述表中，一旦开始寻址，根据选择子的内容硬件会自动将表项的内容拷贝到 一个非编程用户不可见的寄存器：段描述符寄存器(64位)中。

                                      即CPU只知道去段寄存器中拿基地址，因为本来CPU的工作原理就是依附寄存器做下一步行动的....

                     选择子：分3块，index(13bit)表示所需要表项在表的位置，表最多有2^13个表项。TI值只有一位0或1，0代表选择子是在GDT选择，1代表选择子是在LDT选择。请求特权级（RPL）则代表选择子的特权级，共有4个特权级（0级、1级、2级、3级。

                                    这个特权及很重要，在保护模式下都知道内核地址分为了内核区和用户区，所以哪里可以访问哪里不可以访问就是根据他来决定的，详细见。。。

                                   选择子存放在6个专用寄存器(CS,,,,,,SS)和一个特殊寄存器LDTR中，如果是获取系统段基址则选择子就是6个专用寄存器，如果是获取任务级别的段基址，则需要两级选择子，第一级为LDRT，第二级就是那6个专用寄存器。

 

                                                       

                      图1：段描述符(2字节 * 4=8字节=64位，地址从下向上生长)                  图2: 段选择子(16位) 与 段描述符寄存器 (图片来源网络)                   图3： GDTR的结构

 

 

 

           具体的地址怎么算，其实如上都只是讲解了寄存器在寻址的时候扮演的角色，但是具体怎么最后寻址到物理地址还有很大一段路要走。参见？

 

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8个通用寄存器：  EAX，  EBX，  ECX，  EDX， ESI， EDI，ESP， EBP

对应的汇编符号：    rax,    rbx,       rcx,       rdx,      rsi,      rdi,    rsp,      rbp

 

    2)索引寄存器：2个I(index)，也叫做变址和指针寄存器

         用于字符串操作,字符串是一串有序的字符，所以在操作的时候肯定要有索引来标示处理的那个字符,具体为：

• (Source Index): 指向要处理的数据地址?
• (Destination Index):  指向存放处理结果的数据地址?

    3)指针寄存器:  2个P(Pointer):         

      程序运行和函数调用时,都用到栈,不同的程序以及程序中不同的函数,都有各自的栈空间,那么怎么来维护不同的栈?，具体为：

• ESP(Stack Pointer):  栈指针寄存器，其内存放着一个指针,永远指向当前栈的栈顶；
• EBP(Base Pointer)：基址指针寄存器，指向当前栈的栈底。

 

1个指令指针寄存器：

 

1个状态寄存器：

 

6个段寄存器：

系统寄存器：5个控制寄存器；3个系统地址寄存器；1个任务寄存器；8个调试寄存器

 

 

其他参考链接：

https://blog.csdn.net/chance_yin/article/details/8944038

http://ilinuxkernel.com/?p=1276 

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25892385

 

 

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