45個寄存器、CPU核心技術大揭秘（上）

寄存器這個太多太復雜，不適合寫故事，拖了很久，總算是寫完了，這篇文章就來詳細聊聊x86/x64架構的CPU中那些紛繁復雜的寄存器們。

長文預警，時速較快，請系好安全帶～起飛~

自1946年馮·諾伊曼領導下誕生的世界上第一臺通用電子計算機ENIAC至今，計算機技術已經發(fā)展了七十多載。

從當初專用于數學計算的龐然大物，到后來大型機服務器時代，從個人微機技術蓬勃發(fā)展，到互聯網浪潮席卷全球，再到移動互聯網、云計算日新月異的當下，計算機變的形態(tài)各異，無處不在。

這七十多年中，出現了數不清的編程語言，通過這些編程語言，又開發(fā)了無數的應用程序。

可無論什么樣的應用程序，什么樣的編程語言，最終的程序邏輯都是要交付給CPU去執(zhí)行實現的（當然這里有些不嚴謹，除了CPU，還有協處理器、GPU等等）。所以了解和學習CPU的原理都是對計算機基礎知識的夯實大有裨益。

在七十多年的漫長歷程中，也涌現了不少架構的CPU。

• MIPS
• PowerPC
• x86/x64
• IA64
• ARM
• ······

這篇文章就以市場應用最為廣泛的x86-x64架構為目標，通過學習了解它內部的100個寄存器功能作用，來串聯闡述CPU底層工作原理。

通過這篇文章，你將了解到：

• CPU指令執(zhí)行原理
• 內存尋址技術
• 軟件調試技術原理
• 中斷與異常處理
• 系統(tǒng)調用
• CPU多任務技術

什么是寄存器？

寄存器是CPU內部用來存放數據的一些小型存儲區(qū)域，用來暫時存放參與運算的數據和運算結果以及一些CPU運行需要的信息。

x86架構CPU走的是復雜指令集（CISC） 路線，提供了豐富的指令來實現強大的功能，與此同時也提供了大量寄存器來輔助功能實現。這篇文章將覆蓋下面這些寄存器：

• 通用寄存器
• 標志寄存器
• 指令寄存器
• 段寄存器
• 控制寄存器
• 調試寄存器
• 描述符寄存器
• 任務寄存器
• MSR寄存器

通用寄存器

首當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，也最最基礎的寄存器，程序執(zhí)行過程中，絕大部分時間都是在操作這些寄存器來實現指令功能。

所謂通用，即這些寄存器CPU沒有特殊的用途，交給應用程序“隨意”使用。注意，這個隨意，我打了引號，對于有些寄存器，CPU有一些潛規(guī)則，用的時候要注意。

• eax : 通常用來執(zhí)行加法，函數調用的返回值一般也放在這里面
• ebx : 數據存取
• ecx : 通常用來作為計數器，比如for循環(huán)
• edx : 讀寫I/O端口時，edx用來存放端口號
• 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+偏移量的形式來定位函數存放在棧中的局部變量
• esi : 字符串操作時，用于存放數據源的地址
• edi : 字符串操作時，用于存放目的地址的，和esi兩個經常搭配一起使用，執(zhí)行字符串的復制等操作

在x64架構中，上面的通用寄存器都擴展成為64位版本，名字也進行了升級。當然，為了兼容32位模式程序，使用上面的名字仍然是可以訪問的，相當于訪問64位寄存器的低32位。

rax rbx rcx rdx rsp rbp rsi rdi

除了擴展原來存在的通用寄存器，x64架構還引入了8個新的通用寄存器：

r8-r15

在原來32位時代，函數調用時，那個時候通用寄存器少，參數絕大多數時候是通過線程的棧來進行傳遞（當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，不過能用的寄存器畢竟不多）。

進入x64時代，寄存器資源富裕了，參數傳遞絕大多數都是用寄存器來傳了。寄存器傳參的好處是速度快，減少了對內存的讀寫次數。

當然，具體使用棧還是用寄存器傳參數，這個不是編程語言決定的，而是編譯器在編譯生成CPU指令時決定的，如果編譯器非要在x64架構CPU上使用線程棧來傳參那也不是不行，這個對高級語言是無感知的。

標志寄存器

標志寄存器，里面有眾多標記位，記錄了CPU執(zhí)行指令過程中的一系列狀態(tài)，這些標志大都由CPU自動設置和修改：

• CF 進位標志
• PF 奇偶標志
• ZF 零標志
• SF 符號標志
• OF 補碼溢出標志
• TF 跟蹤標志
• IF 中斷標志 ······

在x64架構下，原來的eflags寄存器升級為64位的rflags，不過其高32位并沒有新增什么功能，保留為將來使用。

指令寄存器

eip : 指令寄存器可以說是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的工作其實就是不斷取出它指向的指令，然后執(zhí)行這條指令，同時指令寄存器繼續(xù)指向下面一條指令，如此不斷重復，這就是CPU工作的基本日常。

而在漏洞攻擊中，黑客想盡辦法費盡心機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架構下，32位的eip升級為64位的rip寄存器。

段寄存器

段寄存器與CPU的內存尋址技術緊密相關。

早在16位的8086CPU時代，內存資源寶貴，CPU使用分段式內存尋址技術：

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

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

段寄存器也是16位的。

段寄存器有下面6個，前面4個是早期16位模式就引入了，到了32位時代，又新增了fs和gs兩個段寄存器。

• cs : 代碼段
• ds : 數據段
• ss : 棧段
• es : 擴展段
• fs : 數據段
• gs : 數據段

段寄存器里面存儲的內容與CPU當前工作的內存尋址模式緊密相關。

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

當CPU工作于保護模式下，段寄存器存儲的內容不再是段基址了，此時的段寄存器中存放的是 段選擇子 ，用來指示當前這個段寄存器“指向”的是哪個分段。

注意我這里的指向打了引號，段寄存器中存儲的并不是內存段的直接地址，而是段選擇子，它的結構如下：

16個bit長度的段寄存器內容劃分了三個字段：

• PRL : 特權請求級，就是我們常說的ring0-ring3四個特權級。
• 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 : 這是一個表格中表項的索引值，這個表格叫 內存描述符表 ，它的每一個表項都描述了一個內存分段。

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

保護模式下的段寄存器和段描述符到最后的內存分段，通過下圖的方式聯系在一起：

通用寄存器、段寄存器、標志寄存器、指令寄存器，這四組寄存器共同構成了一個基本的指令執(zhí)行環(huán)境，一個線程的上下文也基本上就是這些寄存器，在執(zhí)行線程切換的時候，就是修改它們的內容。

控制寄存器

控制寄存器是CPU中一組相當重要的寄存器，我們知道eflags寄存器記錄了當前運行線程的一系列關鍵信息。

那CPU運行過程中自身的一些關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，但都存儲了CPU工作時的重要信息：

• cr0 : 存儲了CPU控制標記和工作狀態(tài)
• cr1 : 保留未使用
• cr2 : 頁錯誤出現時保存導致出錯的地址
• cr3 : 存儲了當前進程的虛擬地址空間的重要信息——頁目錄地址
• cr4 : 也存儲了CPU工作相關以及當前人任務的一些信息
• cr8 : 64位新增擴展使用 其中，CR0尤其重要，它包含了太多重要的CPU信息。

一些重要的標記位含義如下：

PG: 是否啟用內存分頁

AM: 是否啟用內存對齊自動檢查

WP: 是否開啟內存寫保護，若開啟，對只讀頁面嘗試寫入時將觸發(fā)異常，這一機制常常被用來實現寫時復制功能

PE: 是否開啟保護模式

除了CR0，另一個值得關注的寄存器是CR3，它保存了當前進程所使用的虛擬地址空間的頁目錄地址，可以說是整個虛擬地址翻譯中的頂級指揮棒，在進程空間切換的時候，CR3也將同步切換。