通過(guò)了解寄存器的功能與作用去揭秘CPU核心技術(shù)

序言

前段時(shí)間，我連續(xù)寫了十來(lái)篇CPU底層系列技術(shù)故事文章，有不少讀者私信我讓我寫一下CPU的寄存器。

寄存器這個(gè)太多太復(fù)雜，不適合寫故事，拖了很久，總算是寫完了，這篇文章就來(lái)詳細(xì)聊聊x86/x64架構(gòu)的CPU中那些紛繁復(fù)雜的寄存器們。

長(zhǎng)文預(yù)警，時(shí)速較快，請(qǐng)系好安全帶～起飛~

自1946年馮·諾伊曼領(lǐng)導(dǎo)下誕生的世界上第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC至今，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了七十多載。

從當(dāng)初專用于數(shù)學(xué)計(jì)算的龐然大物，到后來(lái)大型機(jī)服務(wù)器時(shí)代，從個(gè)人微機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，到互聯(lián)網(wǎng)浪潮席卷全球，再到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算日新月異的當(dāng)下，計(jì)算機(jī)變的形態(tài)各異，無(wú)處不在。

這七十多年中，出現(xiàn)了數(shù)不清的編程語(yǔ)言，通過(guò)這些編程語(yǔ)言，又開(kāi)發(fā)了無(wú)數(shù)的應(yīng)用程序。

可無(wú)論什么樣的應(yīng)用程序，什么樣的編程語(yǔ)言，最終的程序邏輯都是要交付給CPU去執(zhí)行實(shí)現(xiàn)的（當(dāng)然這里有些不嚴(yán)謹(jǐn)，除了CPU，還有協(xié)處理器、GPU等等）。所以了解和學(xué)習(xí)CPU的原理都是對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的夯實(shí)大有裨益。

在七十多年的漫長(zhǎng)歷程中，也涌現(xiàn)了不少架構(gòu)的CPU。

MIPS

PowerPC

x86/x64

IA64

ARM

······

這篇文章就以市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的x86-x64架構(gòu)為目標(biāo)，通過(guò)學(xué)習(xí)了解它內(nèi)部的100個(gè)寄存器功能作用，來(lái)串聯(lián)闡述CPU底層工作原理。

通過(guò)這篇文章，你將了解到：

CPU指令執(zhí)行原理

內(nèi)存尋址技術(shù)

軟件調(diào)試技術(shù)原理

中斷與異常處理

系統(tǒng)調(diào)用

CPU多任務(wù)技術(shù)

什么是寄存器？

寄存器是CPU內(nèi)部用來(lái)存放數(shù)據(jù)的一些小型存儲(chǔ)區(qū)域，用來(lái)暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果以及一些CPU運(yùn)行需要的信息。

x86架構(gòu)CPU走的是復(fù)雜指令集（CISC） 路線，提供了豐富的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，與此同時(shí)也提供了大量寄存器來(lái)輔助功能實(shí)現(xiàn)。這篇文章將覆蓋下面這些寄存器：

通用寄存器

標(biāo)志寄存器

指令寄存器

段寄存器

控制寄存器

調(diào)試寄存器

描述符寄存器

任務(wù)寄存器

MSR寄存器

通用寄存器

首當(dāng)其沖的是通用寄存器，這些的寄存器是程序執(zhí)行代碼最最常用，也最最基礎(chǔ)的寄存器，程序執(zhí)行過(guò)程中，絕大部分時(shí)間都是在操作這些寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)指令功能。

所謂通用，即這些寄存器CPU沒(méi)有特殊的用途，交給應(yīng)用程序“隨意”使用。注意，這個(gè)隨意，我打了引號(hào)，對(duì)于有些寄存器，CPU有一些潛規(guī)則，用的時(shí)候要注意。

eax： 通常用來(lái)執(zhí)行加法，函數(shù)調(diào)用的返回值一般也放在這里面

ebx： 數(shù)據(jù)存取

ecx： 通常用來(lái)作為計(jì)數(shù)器，比如for循環(huán)

edx： 讀寫I/O端口時(shí)，edx用來(lái)存放端口號(hào)

esp： 棧頂指針，指向棧的頂部

ebp： 棧底指針，指向棧的底部，通常用ebp+偏移量的形式來(lái)定位函數(shù)存放在棧中的局部變量

esi： 字符串操作時(shí)，用于存放數(shù)據(jù)源的地址

edi： 字符串操作時(shí)，用于存放目的地址的，和esi兩個(gè)經(jīng)常搭配一起使用，執(zhí)行字符串的復(fù)制等操作

在x64架構(gòu)中，上面的通用寄存器都擴(kuò)展成為64位版本，名字也進(jìn)行了升級(jí)。當(dāng)然，為了兼容32位模式程序，使用上面的名字仍然是可以訪問(wèn)的，相當(dāng)于訪問(wèn)64位寄存器的低32位。

raxrbxrcxrdxrsprbprsirdi

除了擴(kuò)展原來(lái)存在的通用寄存器，x64架構(gòu)還引入了8個(gè)新的通用寄存器：

r8-r15

在原來(lái)32位時(shí)代，函數(shù)調(diào)用時(shí)，那個(gè)時(shí)候通用寄存器少，參數(shù)絕大多數(shù)時(shí)候是通過(guò)線程的棧來(lái)進(jìn)行傳遞（當(dāng)然也有使用寄存器傳遞的，比如著名的C++ this指針使用ecx寄存器傳遞，不過(guò)能用的寄存器畢竟不多）。

進(jìn)入x64時(shí)代，寄存器資源富裕了，參數(shù)傳遞絕大多數(shù)都是用寄存器來(lái)傳了。寄存器傳參的好處是速度快，減少了對(duì)內(nèi)存的讀寫次數(shù)。

當(dāng)然，具體使用棧還是用寄存器傳參數(shù)，這個(gè)不是編程語(yǔ)言決定的，而是編譯器在編譯生成CPU指令時(shí)決定的，如果編譯器非要在x64架構(gòu)CPU上使用線程棧來(lái)傳參那也不是不行，這個(gè)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言是無(wú)感知的。

標(biāo)志寄存器

標(biāo)志寄存器，里面有眾多標(biāo)記位，記錄了CPU執(zhí)行指令過(guò)程中的一系列狀態(tài)，這些標(biāo)志大都由CPU自動(dòng)設(shè)置和修改：

CF 進(jìn)位標(biāo)志

PF 奇偶標(biāo)志

ZF 零標(biāo)志

SF 符號(hào)標(biāo)志

OF 補(bǔ)碼溢出標(biāo)志

TF 跟蹤標(biāo)志

IF 中斷標(biāo)志

······

在x64架構(gòu)下，原來(lái)的eflags寄存器升級(jí)為64位的rflags，不過(guò)其高32位并沒(méi)有新增什么功能，保留為將來(lái)使用。

指令寄存器

eip： 指令寄存器可以說(shuō)是CPU中最最重要的寄存器了，它指向了下一條要執(zhí)行的指令所存放的地址，CPU的工作其實(shí)就是不斷取出它指向的指令，然后執(zhí)行這條指令，同時(shí)指令寄存器繼續(xù)指向下面一條指令，如此不斷重復(fù)，這就是CPU工作的基本日常。

而在漏洞攻擊中，黑客想盡辦法費(fèi)盡心機(jī)都想要修改指令寄存器的地址，從而能夠執(zhí)行惡意代碼。

同樣的，在x64架構(gòu)下，32位的eip升級(jí)為64位的rip寄存器。

段寄存器

段寄存器與CPU的內(nèi)存尋址技術(shù)緊密相關(guān)。

早在16位的8086CPU時(shí)代，內(nèi)存資源寶貴，CPU使用分段式內(nèi)存尋址技術(shù)：

16位的寄存器能尋址的范圍是64KB，通過(guò)引入段的概念，將內(nèi)存空間劃分為不同的區(qū)域：分段，通過(guò)段基址+段內(nèi)偏移段方式來(lái)尋址。

這樣一來(lái)，段的基地址保存在哪里呢？8086CPU專門設(shè)置了幾個(gè)段寄存器用來(lái)保存段的基地址，這就是段寄存器段的由來(lái)。

段寄存器也是16位的。

段寄存器有下面6個(gè)，前面4個(gè)是早期16位模式就引入了，到了32位時(shí)代，又新增了fs和gs兩個(gè)段寄存器。

cs： 代碼段

ds： 數(shù)據(jù)段

ss： 棧段

es： 擴(kuò)展段

fs： 數(shù)據(jù)段

gs： 數(shù)據(jù)段

段寄存器里面存儲(chǔ)的內(nèi)容與CPU當(dāng)前工作的內(nèi)存尋址模式緊密相關(guān)。

當(dāng)CPU處于16位實(shí)地址模式下時(shí)，段寄存器存儲(chǔ)段的基地址，尋址時(shí)，將段寄存器內(nèi)容左移4位（乘以16）得到段基地址+段內(nèi)偏移得到最終的地址。

當(dāng)CPU工作于保護(hù)模式下，段寄存器存儲(chǔ)的內(nèi)容不再是段基址了，此時(shí)的段寄存器中存放的是段選擇子，用來(lái)指示當(dāng)前這個(gè)段寄存器“指向”的是哪個(gè)分段。

注意我這里的指向打了引號(hào)，段寄存器中存儲(chǔ)的并不是內(nèi)存段的直接地址，而是段選擇子，它的結(jié)構(gòu)如下：

16個(gè)bit長(zhǎng)度的段寄存器內(nèi)容劃分了三個(gè)字段：

PRL： 特權(quán)請(qǐng)求級(jí)，就是我們常說(shuō)的ring0-ring3四個(gè)特權(quán)級(jí)。

TI： 0表示用的是全局描述符表GDT，1表示使用的是局部描述符表LDT。

Index： 這是一個(gè)表格中表項(xiàng)的索引值，這個(gè)表格叫內(nèi)存描述符表，它的每一個(gè)表項(xiàng)都描述了一個(gè)內(nèi)存分段。

這里提到了兩個(gè)表，全局描述符表GDT和局部描述符表LDT，關(guān)于這兩個(gè)表的介紹，下面介紹描述符寄存器時(shí)再詳述，這里只需要知道，這是CPU支持分段式內(nèi)存管理需要的表格，放在內(nèi)存中，表格中的每一項(xiàng)都是一個(gè)描述符，記錄了一個(gè)內(nèi)存分段的信息。

保護(hù)模式下的段寄存器和段描述符到最后的內(nèi)存分段，通過(guò)下圖的方式聯(lián)系在一起：

通用寄存器、段寄存器、標(biāo)志寄存器、指令寄存器，這四組寄存器共同構(gòu)成了一個(gè)基本的指令執(zhí)行環(huán)境，一個(gè)線程的上下文也基本上就是這些寄存器，在執(zhí)行線程切換的時(shí)候，就是修改它們的內(nèi)容。

控制寄存器

控制寄存器是CPU中一組相當(dāng)重要的寄存器，我們知道eflags寄存器記錄了當(dāng)前運(yùn)行線程的一系列關(guān)鍵信息。

那CPU運(yùn)行過(guò)程中自身的一些關(guān)鍵信息保存在哪里呢？答案是控制寄存器！

32位CPU總共有cr0-cr4共5個(gè)控制寄存器，64位增加了cr8。他們各自有不同的功能，但都存儲(chǔ)了CPU工作時(shí)的重要信息：

cr0： 存儲(chǔ)了CPU控制標(biāo)記和工作狀態(tài)

cr1： 保留未使用

cr2： 頁(yè)錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)保存導(dǎo)致出錯(cuò)的地址

cr3： 存儲(chǔ)了當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址空間的重要信息——頁(yè)目錄地址

cr4： 也存儲(chǔ)了CPU工作相關(guān)以及當(dāng)前人任務(wù)的一些信息

cr8： 64位新增擴(kuò)展使用

其中，CR0尤其重要，它包含了太多重要的CPU信息，值得單獨(dú)關(guān)注一下：

一些重要的標(biāo)記位含義如下：

PG： 是否啟用內(nèi)存分頁(yè)

AM： 是否啟用內(nèi)存對(duì)齊自動(dòng)檢查

WP： 是否開(kāi)啟內(nèi)存寫保護(hù)，若開(kāi)啟，對(duì)只讀頁(yè)面嘗試寫入時(shí)將觸發(fā)異常，這一機(jī)制常常被用來(lái)實(shí)現(xiàn)寫時(shí)復(fù)制功能

PE： 是否開(kāi)啟保護(hù)模式

除了CR0，另一個(gè)值得關(guān)注的寄存器是CR3，它保存了當(dāng)前進(jìn)程所使用的虛擬地址空間的頁(yè)目錄地址，可以說(shuō)是整個(gè)虛擬地址翻譯中的頂級(jí)指揮棒，在進(jìn)程空間切換的時(shí)候，CR3也將同步切換。

調(diào)試寄存器

在x86/x64CPU內(nèi)部，還有一組用于支持軟件調(diào)試的寄存器。

調(diào)試，對(duì)于我們程序員是家常便飯，必備技能。但你想過(guò)你的程序能夠被調(diào)試背后的原理嗎？

程序能夠被調(diào)試，關(guān)鍵在于能夠被中斷執(zhí)行和恢復(fù)執(zhí)行，被中斷的地方就是我們?cè)O(shè)置的斷點(diǎn)。那程序是如何能在遇到斷點(diǎn)的時(shí)候停下來(lái)呢？

對(duì)于一些解釋執(zhí)行（PHP、Python、JavaScript）或虛擬機(jī)執(zhí)行（Java）的高級(jí)語(yǔ)言，這很容易辦到，因?yàn)樗鼈兊膱?zhí)行都在解釋器/虛擬機(jī)的掌控之中。

而對(duì)于像C、C++這樣的“底層”編程語(yǔ)言，程序代碼是直接編譯成CPU的機(jī)器指令來(lái)執(zhí)行的，這就需要CPU來(lái)提供對(duì)于調(diào)試的支持了。

對(duì)于通常的斷點(diǎn)，也就是程序執(zhí)行到某個(gè)位置下就停下來(lái)，這種斷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的方式，在x86/x64上，是利用了一條軟中斷指令：int 3來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。

注意，這里的int不是指高級(jí)語(yǔ)言里面的整數(shù)，而是表示interrupt中斷的意思，是一條匯編指令，int 3則表示中斷向量號(hào)為3的中斷。

在我們使用調(diào)試器下斷點(diǎn)時(shí)，調(diào)試器將會(huì)把對(duì)應(yīng)位置的原來(lái)的指令替換為一個(gè)int 3指令，機(jī)器碼為0xCC。這個(gè)動(dòng)作對(duì)我們是透明的，我們?cè)谡{(diào)試器中看到的依然是原來(lái)的指令，但實(shí)際上內(nèi)存中已經(jīng)不是原來(lái)的指令了。

順便提一句，兩個(gè)0xCC是漢字【燙】的編碼，在一些編譯器里，會(huì)給線程的棧中填充大量的0xCC，如果程序出錯(cuò)的時(shí)候，我們經(jīng)常會(huì)看到很多燙燙燙出現(xiàn)，就是這個(gè)原因。

言歸正傳，CPU在執(zhí)行這條int 3指令時(shí)，將自動(dòng)觸發(fā)中斷處理流程（雖然這實(shí)際上不是一個(gè)真正的中斷），CPU將取出IDTR寄存器指向的中斷描述符表IDT的第3項(xiàng)，執(zhí)行里面的中斷處理函數(shù)。

而這個(gè)中斷描述符表，早在操作系統(tǒng)啟動(dòng)之初，就已經(jīng)提前安排好了，所以執(zhí)行這條指令后，操作系統(tǒng)的中斷處理函數(shù)將介入，來(lái)處理這一事件。

后面的過(guò)程就多了，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)會(huì)把觸發(fā)這一事件的進(jìn)程凍結(jié)起來(lái)，隨后將這一事件發(fā)送到調(diào)試器，調(diào)試器拿到之后就知道目標(biāo)進(jìn)程觸發(fā)斷點(diǎn)了。這個(gè)時(shí)候，咱們程序員就能通過(guò)調(diào)試器的UI交互界面或者命令行調(diào)試接口來(lái)調(diào)試目標(biāo)進(jìn)程，查看堆棧、查看內(nèi)存、變量都隨你。

如果我們要繼續(xù)運(yùn)行，調(diào)試器將會(huì)把之前修改的int 3指令給恢復(fù)回去，然后告知操作系統(tǒng)：我處理完了，把目標(biāo)進(jìn)程解凍吧！

上面簡(jiǎn)單描述了一下普通斷點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)原理?，F(xiàn)在思考一個(gè)場(chǎng)景：我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)bug，某個(gè)全局整數(shù)型變量的值老是莫名其妙被修改，但你發(fā)現(xiàn)有很多線程，很多函數(shù)都有可能會(huì)去修改這個(gè)變量，你想找出到底誰(shuí)干的，怎么辦？

這個(gè)時(shí)候上面的普通斷點(diǎn)就沒(méi)辦法了，你需要一種新的斷點(diǎn)：硬件斷點(diǎn)。

這時(shí)候就該本小節(jié)的主人公調(diào)試寄存器登場(chǎng)表演了。

在x86架構(gòu)CPU內(nèi)部，提供了8個(gè)調(diào)試寄存器DR0~DR7。

DR0~DR3：這是四個(gè)用于存儲(chǔ)地址的寄存器

DR4~DR5：這兩個(gè)有點(diǎn)特殊，受前面提到的CR4寄存器中的標(biāo)志位DE位控制，如果CR4的DE位是1，則DR4、DR5是不可訪問(wèn)的，訪問(wèn)將觸發(fā)異常。如果CR4的DE位是0，則DR4和DR5將會(huì)變成DR6和DR7的別名，相當(dāng)于做了一個(gè)軟鏈接。這樣做是為了將DR4、DR5保留，以便將來(lái)擴(kuò)展調(diào)試功能時(shí)使用。

DR6：這個(gè)寄存器中存儲(chǔ)了硬件斷點(diǎn)觸發(fā)后的一些狀態(tài)信息

DR7：調(diào)試控制寄存器，這里面記錄了對(duì)DR0-DR3這四個(gè)寄存器中存儲(chǔ)地址的中斷方式（是對(duì)地址的讀，還是寫，還是執(zhí)行）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（1/2/4個(gè)字節(jié)）以及作用范圍等信息

通過(guò)調(diào)試器的接口設(shè)置硬件斷點(diǎn)后，CPU在執(zhí)行代碼的過(guò)程中，如果滿足條件，將自動(dòng)中斷下來(lái)。

回答前面提出的問(wèn)題，想要找出是誰(shuí)偷偷修改了全局整形變量，只需要通過(guò)調(diào)試器設(shè)置一個(gè)硬件寫入斷點(diǎn)即可。

描述符寄存器

所謂描述符，其實(shí)就是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)記錄一些信息，‘描述’一個(gè)東西。把很多個(gè)描述符排列在一起，組成一個(gè)表，就成了描述符表。再使用一個(gè)寄存器來(lái)指向這個(gè)表，這個(gè)寄存器就是描述符寄存器。

在x86/x64系列CPU中，有三個(gè)非常重要的描述符寄存器，它們分別存儲(chǔ)了三個(gè)地址，指向了三個(gè)非常重要的描述符表。

gdtr： 全局描述符表寄存器，前面提到，CPU現(xiàn)在使用的是段+分頁(yè)結(jié)合的內(nèi)存管理方式，那系統(tǒng)總共有那些分段呢？這就存儲(chǔ)在一個(gè)叫全局描述符表（GDT）的表格中，并用gdtr寄存器指向這個(gè)表。這個(gè)表中的每一項(xiàng)都描述了一個(gè)內(nèi)存段的信息。

ldtr： 局部描述符表寄存器，這個(gè)寄存器和上面的gdtr一樣，同樣指向的是一個(gè)段描述符表（LDT）。不同的是，GDT是全局唯一，LDT是局部使用的，可以創(chuàng)建多個(gè)，隨著任務(wù)段切換而切換（下文介紹任務(wù)寄存器會(huì)提到）。

GDT和LDT中的表項(xiàng)，就是段描述符，描述了一個(gè)內(nèi)存分段的信息，其結(jié)構(gòu)如下：

一個(gè)表項(xiàng)占據(jù)8個(gè)字節(jié)（32位CPU），里面存儲(chǔ)了一個(gè)內(nèi)存分段的諸多信息：基地址、大小、權(quán)限、類型等信息。

除了這兩個(gè)段描述符寄存器，還有一個(gè)非常重要的描述符寄存器：

idtr： 中斷描述符表寄存器，指向了中斷描述符表IDT，這個(gè)表的每一項(xiàng)都是一個(gè)中斷處理描述符，當(dāng)CPU執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生了硬中斷、異常、軟中斷時(shí)，將自動(dòng)從這個(gè)表中定位對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，里面記錄了發(fā)生中斷、異常時(shí)該去哪里執(zhí)行處理函數(shù)。

IDT中的表項(xiàng)稱為Gate，中文意思為門，因?yàn)檫@是應(yīng)用程序進(jìn)入內(nèi)核的主要入口。雖然表的名字叫中斷描述符表，但表中存儲(chǔ)的不全是中斷描述符，IDT中的表項(xiàng)存在三種類型，對(duì)應(yīng)三種類型的門：

任務(wù)門

陷阱門

中斷門

三種描述符中都存儲(chǔ)了處理這個(gè)中斷/異常/任務(wù)時(shí)該去哪里處理的地址。三種門用途不一，其中中斷門是真正意義上的中斷，而像前面提到的調(diào)試指令int 3以及老式的系統(tǒng)調(diào)用指令int 2e/int 80都屬于陷阱門。任務(wù)門則用的較少，要了解任務(wù)門，先了解下任務(wù)寄存器。

任務(wù)寄存器現(xiàn)代操作系統(tǒng)，都是支持多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行的，x86架構(gòu)CPU為了順應(yīng)時(shí)代潮流，在硬件層面上提供了專門的機(jī)制用來(lái)支持多任務(wù)的切換，這體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

CPU內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)專用的寄存器——任務(wù)寄存器TR，它指向當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)。

定義了描述任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TSS，里面存儲(chǔ)了一個(gè)任務(wù)的上下文（一系列寄存器的值），下圖是一個(gè)32位CPU的TSS結(jié)構(gòu)圖：

x86CPU的構(gòu)想是每一個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)TSS，然后由TR寄存器指向當(dāng)前的任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)切換時(shí)，修改TR寄存器的指向即可，這是硬件層面的多任務(wù)切換機(jī)制。

這個(gè)構(gòu)想其實(shí)還是很不錯(cuò)的，然而現(xiàn)實(shí)卻打了臉，包括Linux和Windows在內(nèi)的主流操作系統(tǒng)都沒(méi)有使用這個(gè)機(jī)制來(lái)進(jìn)行線程切換，而是自己使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程切換。

所以，絕大多數(shù)情況下，TR寄存器都是指向固定的，即便線程切換了，TR寄存器仍然不會(huì)變化。

注意，我這里說(shuō)的的是絕大多數(shù)情況，而沒(méi)有說(shuō)死。雖然操作系統(tǒng)不依靠TSS來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)切換，但這并不意味著CPU提供的TSS操作系統(tǒng)一點(diǎn)也沒(méi)有使用。還是存在一些特殊情況，如一些異常處理會(huì)使用到TSS來(lái)執(zhí)行處理。

下面這張圖，展示了控制寄存器、描述符寄存器、任務(wù)寄存器構(gòu)成的全貌：

模型特定寄存器

從80486之后的x86架構(gòu)CPU，內(nèi)部增加了一組新的寄存器，統(tǒng)稱為MSR寄存器，中文直譯是模型特定寄存器，意思是這些寄存器不像上面列出的寄存器是固定的，這些寄存器可能隨著不同的版本有所變化。這些寄存器主要用來(lái)支持一些新的功能。

隨著x86CPU不斷更新?lián)Q代，MSR寄存器變的越來(lái)越多，但與此同時(shí)，有一部分MSR寄存器隨著版本迭代，慢慢固化下來(lái)，成為了變化中那部分不變的，這部分MSR寄存器，Intel將其稱為Architected MSR，這部分MSR寄存器，在命名上，統(tǒng)一加上了IA32的前綴。

這里選取三個(gè)代表性的MSR簡(jiǎn)單介紹一下：

IA32_SYSENTER_CS

IA32_SYSENTER_ESP

IA32_SYSENTER_EIP

這三個(gè)MSR寄存器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)調(diào)用。

在早期的x86架構(gòu)CPU上，系統(tǒng)調(diào)用依賴于軟中斷實(shí)現(xiàn)，類似于前面調(diào)試用到的int 3指令，在Windows上，系統(tǒng)調(diào)用用到的是int 2e，在Linux上，用的是int 80。

軟中斷畢竟還是比較慢的，因?yàn)閳?zhí)行軟中斷就需要內(nèi)存查表，通過(guò)IDTR定位到IDT，再取出函數(shù)進(jìn)行執(zhí)行。

系統(tǒng)調(diào)用是一個(gè)頻繁觸發(fā)的動(dòng)作，如此這般勢(shì)必對(duì)性能有所影響。在進(jìn)入奔騰時(shí)代后，就加上了上面的三個(gè)MSR寄存器，分別存儲(chǔ)了執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用后，內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用入口函數(shù)所需要的段寄存器、堆棧棧頂、函數(shù)地址，不再需要內(nèi)存查表?？焖傧到y(tǒng)調(diào)用還提供了專門的CPU指令sysenter/sysexit用來(lái)發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用和退出系統(tǒng)調(diào)用。

在64位上，這一對(duì)指令升級(jí)為syscall/sysret。

總結(jié)以上就是全部要介紹的寄存器了，需要說(shuō)明一下的是，這并不是x86CPU全部所有的寄存器，除了這些，還存在XMM、MMX、FPU浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等其他寄存器。

這篇文章以x86/x64架構(gòu)CPU為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)CPU內(nèi)部寄存器的闡述，串講了CPU執(zhí)行代碼機(jī)制、內(nèi)存尋址技術(shù)、中斷與異常處理、多任務(wù)管理、系統(tǒng)調(diào)用、調(diào)試原理等多種計(jì)算機(jī)底層知識(shí)。
編輯：lyn