CPU和寄存器详解

1.CPU

• 编译器是一个程序，它可以将我们所写的程序翻译成特殊的机器语言结构。通常，每一种类型的CPU都有它自己唯一的机器语言。这是为什么为Mac写的程序不能在IBM类型PC机运行的一个原因。

• 电脑通过使用时钟来同步指令的执行。时钟脉冲在一个固定的频率（称为时钟频率）。当你买了一台1.5GHz的电脑，1.5GHz就是时钟频率，即每秒15亿次的时钟脉冲。时钟并不记录分和秒。它以不变的速率简单跳动。电子计算机通过使用这个跳动来正确执行它们的操作，就像节拍器的跳动如何来帮助你以正确的节奏播放音乐。一个指令需要跳动的次数（或就像他们经常说的执行周期）依赖CPU的产生和模仿。周期的次数取决于它之前的指令和其他因素。

2.程序内存需要分段(以8086CPU为例)

• 内存按访问的方式来看，就像长方形的带子，地址依次升高。内存是一个随机读写设备，即可以访问内部任何一处，不需要从头开始找，只要直接给出实际物理地址即可。
• 而分段是内存访问的机制，是给CPU用的访问内存的方式，只有CPU才会关注段
  • 8086CPU有20根地址线，最大可寻址内存空间为1MB，2^20Byte。而8086的寄存器只有16位，指令指针（IP）和变址寄存器（SI、DI）也是16位的。用16位的地址寻址1MB空间是不可能的。所以就要把内存分段，也就是把1MB空间分为若干个段，每段不超过64KB，在8086中设置4个16位的段寄存器，用于管理4种段，注意这里是种，不是个（内存是分成四种段，这是考虑到程序执行时需要的四个部分。但是，内存不止四个段，只是同时最多只有四个段在工作，其他的在“睡眠”，需要时再“唤醒”。），具体种类为：CS是代码段，DS是数据段，SS是堆栈段，ES是附加段。
  • 内存分段后，内存的地址（又称物理地址）就由两部分组成：段地址和段内偏移地址，段寄存器管理的是段地址。把内存分段后，每一个段就有一个段基址，段寄存器保存的就是这个段基址的高16位，这个16位的地址左移四位（后面加上4个0）就可构成20位的段基址。
  • 上述便是段地址×16(或者左移四位)+偏移地址=物理地址”的寻址模式的由来。
• 第二个是保护模式下，段(segmentation)强调的是分割，用来把内存分成不同的地址空间，每个段一个空间，而后通过CPU的MMU转换成实际物理地址。由于程序运行在不同的段里，根本上保护了CPU保护模式下的各个不相关的代码，所谓进程或者作业。

3.CPU的不同型号

• 8088，8086:
  这些CPU从编程的观点来看是完全相同的。它们是用在早期PC机上的CPU。它们提供一些16位的寄存器：AX，BX，CX，DX，SI，DI，BP，SP，CS，DS，SS，ES，IP，FLAGS。它们仅仅支持1M字节的内存，而且只能工作在实模式下。在这种模式下，一个程序可以访问任何内存地址，甚至其它程序的内存！这会使排除故障和保证安全变得非常困难！而且，程序的内存需要分成段。每段不能大
  于64K，即2^16Byte（16位的寄存器）。

• 80286:
  这种CPU使用在AT系列的PC机中。它在8088/86的基本机器语言中加入了一些新的指令。然而，它主要的新的特征是16位保护模式。在这种模式下，它可以访问16M字节的内存和通过阻止访问其它程序的内存来保护程序。可是，程序依然是分成不能大于64K的段，即2^16Byte（16位的寄存器）。

• 80386:
  这种CPU极大地增强了80286的性能。首先，它扩展了许多寄存器来容纳32位数据(EAX，EBX，ECX，EDX，ESI，EDI，EBP，ESP，EIP)而且增加了两个新的16位寄存器（FS，GS）。它同样增加了一个新的32位保护模式。在这种模式下，它可以访问4G字节。程序同样分成段，但是现在每段大小同样可以到4G，即2^32Byte（32位的寄存器）

• 还有很多CPU型号这里不在列出，毕竟我们不做CPU的芯片开发，我们学习结构较为简单的CPU，了解其原理即可。

4.十六位寄存器（以8086为例，即x86架构）

寄存器是CPU内部的存储部件与内存空间没有关系，设置寄存器的原因是为了减少CPU与内存交换数据的次数，以提高计算机的工作速度。

8086 CPU 中寄存器总共为 14 个,即 AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI，IP，FLAG，CS，DS，SS，ES，且都为16位。

4.1通用寄存器：

通用寄存器有 8 个，分别是 AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI 。

4.1.1数据寄存器：

AX，BX，CX，DX 称作为数据寄存器，都可以暂存一般的数据，他们还具有其他的特殊用途，具体的特殊用途如下：

• AX (Accumulator)：累加寄存器，也称之为累加器，除了做加法以外，还可以做乘法或除法，当操作的数是16位的时候经常与DX搭配使用，如下：

  • 做除法（DIV）运算时：
    除数可以存放在寄存器中或者是内存单元中，被除数默认放在AX或（DX和AX）中，如果除数为8位，被除数则为16位，默认放在AX中；如果除数为16位，那么被除数就为32位，存放在DX和AX两个寄存器中，高16位存放在DX，低16位存放在AX。即除数可以是 8 位或者是 16 位的：

    • 当除数是 8 位时，被除数一定会是 16 位的，并且默认是放在 AX 寄存器中，如果除数是 8 位的，则在 AL 中会保存此次除法操作的商，而在 AH 中则会保存此次除法操作的余数，
    • 而当除数是 16 位时，被除数一定是 32 位的，因为 AX 是 16 位寄存器，自然，放不下 32 位的被除数，所以，在这里还需要使用另一个 16 位寄存器 DX ，其中 DX 存放 32 位的被除数的高 16 位，而 AX 则存放 32 位的被除数的低 16 位，同时，AX 的作用还不仅仅是用来保存被除数的，当除法指令执行完成以后，当然，如果除数是 16 位的话，则 AX 中会保存本次除法操作的商，而 DX 则保存本次除法操作的余数。

  • 做乘法（MUL）运算时：
    两个相乘的数要么都是 8 位，要么都是 16 位：

    • 如果两个相乘的数都是 8 位的话，则一个默认是放在 AL 中，而另一个 8 位的乘数则位于其他的寄存器或者说是内存字节单元中，当 MUL 指令执行完毕后，如果是 8 位的乘法运算，则默认乘法运算的结果是保存在 AX 中，
    • 而如果两个相乘的数都是 16 位的话，则一个默认存放在 AX 中，另一个 16 位的则是位于 16 的寄存器中或者是某个内存字单元中。
      同时，而如果是 16 位的乘法运算的话，则默认乘法运算的结果有 32 位，其中，高位默认保存在 DX 中，而低位则默认保存在 AX 中。

• BX (Base)：基地址寄存器；
  BX 主要还是用于其专属功能 ：存储偏移地址（与段寄存器搭配，可以寻址物理地址）。
  如果未额外指明寄存器，会默认使用 DS 段寄存器，例如 [BX]，相当于DS:[BP]
  段地址×16(或者左移四位)+偏移地址=物理地址

• CX (Count)：计数器寄存器；
  CX 中的 C 被翻译为 Counting 也就是计数器的功能，当在汇编指令中使用循环 LOOP 指令时，可以通过 CX 来指定需要循环的次数，而 CPU 在每一次执行 LOOP 指令的时候，都会做两件事：

  • 一件就是令 CX = CX – 1，即令 CX 计数器自动减去 1；
  • 还有一件就是判断 CX 中的值，如果 CX 中的值为 0 则会跳出循环，而继续执行循环下面的指令，如果 CX 中的值不为 0 ，则会继续执行循环中所指定的指令 。

• DX (Data)：数据寄存器；
  在做除法（DIV）或者乘法（MUL）运算的时候可以搭配AX使用，请参考上面关于AX详细用法的讲解。

4.1.2指针寄存器：

• SP (Stack Pointer)：堆栈指针寄存器；
  段地址使用默认的 SS 寄存器中的值
  在任何时刻，SS:SP 都是指向栈顶元素
• BP (Base Pointer)：基指针寄存器；
  段地址使用默认的 SS 寄存器中的值
  bp为基址寄存器，一般在函数中用来保存进入函数时的sp的栈顶基址。
  sp会随着带有堆栈操作的指令(比如PUSH、CALL、INT、RETF)产生变化，而BP不会，所以在带参数的子过程中用BP来获取参数和访问设在堆栈里面的临时变量。
  每次子函数调用时，系统在开始时都会保存这个两个指针并在函数结束时恢复sp和bp的值。如下
  在函数进入时：

push bp // 保存bp指针
mov bp,sp // 将sp指针传给bp，此时bp指向sp的基地址。
// 这个时候，如果该函数有参数，则[bp + 2*4]则是该子函数的第一个参数，[bp+3*4]则是该子函数的 第二个参数，以此类推，有多少个参数则[bp+(n-1)*4]。
.....
.....
函数结束时：
mov sp,bp // 将原sp指针传回给sp
pop bp // 恢复原bp的值。
ret // 退出子函数

只有在寻找堆栈里的数据和使用个别的寻址方式时候才能用到
比如说，堆栈中压入了很多数据或者地址，你肯定想通过SP来访问这些数据或者地址，但SP是要指向栈顶的，是不能随便乱改的，这时候你就需要使用BP，把SP的值传递给BP，通过BP来寻找堆栈里数据或者地址。
他们也是通用寄存器，在许多情况下也可以像通用寄存器一样暂存数据。但是，它们不可以分解成两个8位寄存器，因为只有数据寄存器才可以分解成两个8位寄存器。

4.1.3变址寄存器

• SI (Source Index)：源变址寄存器；
  SI会默认使用 DS 段寄存器
• DI (Destination Index)：目的变址寄存器；
  DI 会默认使用 DS 段寄存器

两个16位指针寄存器：SI 和DI 。通常它们都是当作指针来使用，但是在许多情况下也可以像通用寄存器一样暂存数据。但是，它们不可以分解成两个8位寄存器，因为只有数据寄存器才可以分解成两个8位寄存器。

4.2段寄存器：

• CS (Code Segment)：代码段寄存器；
• DS (Data Segment)：数据段寄存器；
• SS (Stack Segment)：堆栈段寄存器；
• ES (Extra Segment)：附加段寄存器；

16位CS，DS，SS 和ES 寄存器是段寄存器。它们指出程序不同部分所使用的内存。CS代表代码段，DS 代表数据段，SS 代表堆栈段和ES代表附加段。ES当作一个暂时段寄存器来使用。这些寄存器的细节描述在后面的文章中。

4.3控制寄存器

• IP (Instruction Pointer)：指令指针寄存器；
  指令指针寄存器(IP) 与CS寄存器一起使用来跟踪CPU下一条执行指令的地址。通常，当一条指令执行时，IP提前指向内存里的下一条指令。
• FLAG：标志寄存器；
  FLAGS寄存器储存了前面指令执行结果的重要信息。这些结果在寄存器里以单个的位储存。例如：如果前面指令执行结果是0，Z位为1，反之为0。并不是所有指令都修改FLAGS里的位。

5. 三十二位寄存器(80386 )

• 80386及以后的处理器扩展了寄存器。例如：16位AX寄存器扩展成了32位。为了向后兼容，AX依然表示16位寄存器而EAX 用来表示扩展的32位寄存器。AX是EAX 的低16位就像AL是AX(EAX)的低8位一样。但是没有直接访问EAX 高16位的方法。其它的扩展寄存器是EBX，ECX，EDX，ESI 和EDI 。
• 许多其它类型的寄存器同样也扩展了。BP变成了EBP；SP 变成了ESP；FLAGS变成了EFLAGSEFLAGS 而IP变成了EIP。但是，不同于指针寄存器和通用寄存器，在32位保护模式下只有这此寄存器的扩展形式被使用。