CS和IP寄存器的作用及执行分析

前言

我们在刚开始学习汇编或者操作系统时，会被一些寄存器搞得晕头转向，可能是我比较笨吧，抽象能力比较差，对于CS和IP寄存器的概念是知道，但是不知道他们的作用。

CS和IP寄存器概念

书本上的解释如下：

• CS是代码段寄存器，IP为指令指针寄存器，他们一起合作指向了CPU当前要读取的指令地址，可以理解为CS和IP结合，组成了PC寄存器。
• 任何时刻，8086CPU都会将CS:IP指向的指令作为下一条需要取出的执行指令。
• 8086CPU中的计算公式为 (CS << 4)|IP, 即CS左移4位，然后再加上IP

为什么要设计CS和IP寄存器

上面提到了CS和IP寄存器概念，初学者可能会有疑问，为什么要这么折腾？为什么不直接设计一个寄存器取代CS和IP寄存器？这就涉及到CPU的发展历史了，这里我们先说一句特别的感悟：CPU的发展是连续迭代的过程，新的设计要兼容旧的设计。之前一直不明白这句话的含义，或者是忽略了这句话，我们知道CPU是一种神奇的发明，可以说，CPU是现代所有科技的大脑和帮手，每一代的CPU都会有数以千万级的硬件产品使用，除非是上帝，任何人也不能说一下子就能设计永远不过时的架构，所以CPU是一个逐步迭代的产品，迭代的原因就是旧的架构或资源过时了，需要新的架构或者优化，但是我们在设计新的CPU架构时，必须也不得不考虑兼容性，兼容上一代的产品，这虽然给设计人员增加了设计难度，但是也是不得已为之，好了，上面说了很多正确的废话，接下来简单的说下为什么需要CS和IP寄存器，我们先说一下历史，不严谨的说：

• 在上古CPU中，类似于现在的小型单片机，是没有CS和IP寄存器的，因为内存少的可怜，比如16位的CPU，最大就能访问2^16 byte，即64Kb的内存，也就是地址线、数据线、寄存器都是16位，访问内容完全都是统一的，一点都不会乱，而且那会儿64Kb的内存空间已经足够用了。
• 随着应用程序的发展，对内存的需求也更多了（2021年，4G内存都沦落到乞丐配置了），所以相比上一代的64Kb，8086处理器的设计目标是1M的大内存空间，相当于提升到上一代的16倍，1M的空间对应的地址总线就是20位。

如上所属，愿望是很好的，一个很现实的问题就摆在Intel设计人员面前，地址线宽度是20位，但是CPU中的算数逻辑运算单元(ALU) 仍然是16位，而且很尴尬的是，当时的制造技术很难把ALU加工到20位，即便是有能力加工到20位，也无法兼容上一代的CPU了，当然也有其他的方案，比如增设一些20位的指令和寄存器，专门用于地址的运算和操作，但是那样又造成CPU内存结构的不均匀，基于上面的原因，Intel的工程师设计了一种在当时看来很巧妙的方法，即分段方法。也就是前面提到的CS:IP结合的算法，CS和IP都是16位，CS左移4位，然后与IP相加，得到20位的地址。这样就实现了从16位内存地址到20位实际地址的转换，段式内存管理带来了显而易见的优势，程序地址不再需要硬编码了，调试错误也更容易定位了，也能支持更大的内存了。

CPU通过CS和IP进行指令执行过程