CPU中常见寄存器及与内存的交互

本篇博客关于指令集和PSW的内容参考至：https://www.cnblogs.com/f-ck-need-u/p/11141636.html，同时做下了寄存器与内存交互的总结。

指令集

对于每个CPU，其都有一套自己可以执行的专门的指令集（这部分指令由CPU提供）。

正是因为不同CPU架构的指令集不同，使得X86处理器不能执行ARM程序，ARM程序也不能执行X86程序（Inter和AMD都使用x86指令集，手机绝大多数使用ARM指令集）。

注意：指令集具有软硬件层次之分：硬件指令集是硬件层次上由CPU自身提供的可执行的指令集合。软件指令集是指语言程序库所提供的指令，只要安装了该语言的程序库，指令就可以执行。

寄存器

当程序要执行的部分被装载到内存中后，CPU要从内存中取出指令，然后指令解码（以便知道类型和操作数，简单的理解为：CPU要知道这是什么指令），然后执行该指令。再然后取下一个指令，重复以上操作。

由于CPU访问内存已得到指令或数据的时间要比执行指令花费的时间多得多，因此在CPU内部提供了一些来保存关键变量、临时数据等信息的通用寄存器。

所以，CPU需要提供一些特定的指令，使得可以从内存中读取数据存入寄存器以及将寄存器数据存入内存。

常见寄存器

IP寄存器：用来指向当前执行指令的下一条指令（非Inter厂家将IP寄存器称为PC寄存器：即程序计数器），指令取出后，就会更新该寄存器指向下一条指令；

CS寄存器：代码段寄存器，一般用于存放代码；

通常CS和IP配合使用，用于处理下一条执行的代码。

DS寄存器：数据段寄存器，一般用于存放数据；

• 一段内存定义为一个段，用一个段地址指示段，用偏移地址访问段内的单元；
• 用一个段存放数据，将它定义为“数据段”。用一段存放代码，将它定义为“代码段”，用一段当做栈，将它定义为“栈段”。
• 对于数据段，将它的段地址放到DS中，用mov、add、sub等访问内存单元的指令时，CPU就将我们定义的数据段中的内容当做数据来访问。对于代码段，将它的段地址放在CS中，将段中第一条指令的偏移地址放在IP中，这样CPU就将执行我们定义的的代码段中的指令。
• CPU将内存中的某段内容当做代码，是因为CS:IP指向哪里。

存储寄存器

MAR：保存将要被访问数据在内存中哪个地址，保存的是地址值

MDR：保存从内存读取进来的数据或将要被写入内存的数据，保存的是数据值

IR：保存当前正在执行的指令

• 存储器地址寄存器（MAR）和存储器数据寄存器（MDR）是主存和CPU之间的接口。MAR可以接收由程序计数器（PC）的指令地址或来自运算器的操作数的地址，以确定要访问的单元。MDR是向主存写入数据或从主存读出数据的缓冲部件。MAR和MDR从功能上看属于主存，但通常放在CPU内。

AC寄存器：累加寄存器，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。累加寄存器暂时存放ALU运算的结果信息。

• ALU：算数逻辑单元，CPU中的关键部件，用来实现指令所指定的各种算术和逻辑运算操作。
• CU：控制器，负责将存储器中的数据送到ALU中去做运算，并将运算结果存回到存储器中

如下示意图：

跟着上图，以取数相加指令为例：

取指：首先指令地址在PC中，通过片内总线然后送到MAR寄存器中，MAR通过与内存管理器交互，将MAR指令下那条地址的指令取出来放到MDR寄存器中。接着送到IR寄存器（IR：存储当前指令）；

解码：将指令的操作码部分送给CU，由CU负责解码；

执行指令：因为是取数相加指令， 首先进行取数操作，在CU帮助下， 将取数指令的地址码送到MAR中， 然后通过与内存控制器交互，从内存中取出该地址下的数据到MDR；由于需要进行逻辑运算，通过CU控制，将两个MDR寄存器（保存了来自内存的两个数据）中的值拷贝到ALU中，然后ALU进行加法操作（中间可能使用到AC寄存器），计算完毕后将结果拷贝到MDR寄存器，最后写入回内存。

PSW

补充说明一个重要的寄存器：PSW。

在CPU中，有着PSW寄存器，表示程序状态字，这个寄存器中保存了一些控制位，比如CPU的优先级、CPU的工作模式（用户态、内核态）。

在CPU进行进程切换的时候，需要将寄存器中和当前进程有关的状态数据写入内存对应的位置(内核中该进程的栈空间)保存起来，当切换回该进程时，需要从内存中拷贝回寄存器中。即上下文切换时，需要保护现场和恢复现场。

内核态的CPU，可以执行指令集中的所有指令，并使用硬件的所有功能。

用户态的CPU，只允许执行指令集中的部分指令。一般而言，IO相关和把内存保护相关的所有执行在用户态下都是被禁止的，此外其它一些特权指令也是被禁止的，比如用户态下不能将PSW的模式设置控制位设置成内核态。

用户态CPU想要执行特权操作，需要发起系统调用来请求内核帮忙完成对应的操作。其实是在发起系统调用后，CPU会执行trap指令陷入(trap)到内核。当特权操作完成后，需要执行一个指令让CPU返回到用户态。

除了系统调用会陷入内核，更多的是硬件会引起trap行为陷入内核，使得CPU控制权可以回到操作系统，以便操作系统去决定如何处理硬件异常。