45個(gè)寄存器、CPU核心技術(shù)大揭秘（上）

寄存器這個(gè)太多太復(fù)雜，不適合寫(xiě)故事，拖了很久，總算是寫(xiě)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(zhuān)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(xiě)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。

rax rbx rcx rdx rsp rbp rsi rdi

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(xiě)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(zhuān)門(mén)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。

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(xiě)保護(hù)，若開(kāi)啟，對(duì)只讀頁(yè)面嘗試寫(xiě)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(xiě)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。