序言
前段時間，我連續寫了十來篇CPU底層系列技術故事文章，有很多讀者私信我讓我寫一下CPU的寄存器。程序員
寄存器這個太多太複雜，不適合寫故事，拖了好久，總算是寫完了，這篇文章就來詳細聊聊x86/x64架構的CPU中那些紛繁複雜的寄存器們。web
長文預警，時速較快，請繫好安全帶～起飛~編程
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，計算機技術已經發展了七十多載。跨域
從當初專用於數學計算的龐然大物，到後來大型機服務器時代，從我的微機技術蓬勃發展，到互聯網浪潮席捲全球，再到移動互聯網、雲計算突飛猛進的當下，計算機變的形態萬千，無處不在。安全
這七十多年中，出現了數不清的編程語言，經過這些編程語言，又開發了無數的應用程序。服務器
可不管什麼樣的應用程序，什麼樣的編程語言，最終的程序邏輯都是要交付給CPU去執行實現的（固然這裏有些不嚴謹，除了CPU，還有協處理器、GPU等等）。因此瞭解和學習CPU的原理都是對計算機基礎知識的夯實大有裨益。微信
在七十多年的漫長曆程中，也涌現了很多架構的CPU。數據結構
MIPS PowerPC x86/x64 IA64 ARM ······
這篇文章就以市場應用最爲普遍的x86-x64架構爲目標，經過學習瞭解它內部的100個寄存器功能做用，來串聯闡述CPU底層工做原理。多線程
經過這篇文章，你將瞭解到：架構
CPU指令執行原理 內存尋址技術 軟件調試技術原理 中斷與異常處理 系統調用 CPU多任務技術
什麼是寄存器？
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運行須要的信息。
x86架構CPU走的是複雜指令集（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 標誌寄存器 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
首當其衝的是通用寄存器，這些的寄存器是程序執行代碼最最經常使用，也最最基礎的寄存器，程序執行過程當中，絕大部分時間都是在操做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，對於有些寄存器，CPU有一些潛規則，用的時候要注意。
eax: 一般用來執行加法，函數調用的返回值通常也放在這裏面 ebx: 數據存取 ecx: 一般用來做爲計數器，好比for循環 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，一般用 ebp+偏移量的形式來定位函數存放在棧中的局部變量esi: 字符串操做時，用於存放數據源的地址 edi: 字符串操做時，用於存放目的地址的，和esi兩個常常搭配一塊兒使用，執行字符串的複製等操做
在x64架構中，上面的通用寄存器都擴展成爲64位版本，名字也進行了升級。固然，爲了兼容32位模式程序，使用上面的名字仍然是能夠訪問的，至關於訪問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經過線程的棧來進行傳遞（固然也有使用寄存器傳遞的，好比著名的C++ this指針使用ecx寄存器傳遞，不過能用的寄存器畢竟很少）。
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，減小了對內存的讀寫次數。
固然，具體使用棧仍是用寄存器傳參數，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，若是編譯器非要在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。
標誌寄存器
標誌寄存器，裏面有衆多標記位，記錄了CPU執行指令過程當中的一系列狀態，這些標誌大都由CPU自動設置和修改：
CF 進位標誌 PF 奇偶標誌 ZF 零標誌 SF 符號標誌 OF 補碼溢出標誌 TF 跟蹤標誌 IF 中斷標誌 ······
在x64架構下，原來的eflags寄存器升級爲64位的rflags，不過其高32位並無新增什麼功能，保留爲未來使用。
指令寄存器
eip: 指令寄存器能夠說是CPU中最最重要的寄存器了，它指向了下一條要執行的指令所存放的地址，CPU的工做其實就是不斷取出它指向的指令，而後執行這條指令，同時指令寄存器繼續指向下面一條指令，如此不斷重複，這就是CPU工做的基本平常。
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，從而可以執行惡意代碼。
一樣的，在x64架構下，32位的eip升級爲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範圍是64KB，經過引入段的概念，將內存空間劃分爲不一樣的區域：分段，經過段基址+段內偏移段方式來尋址。
這樣一來，段的基地址保存在哪裏呢？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
段寄存器裏面存儲的內容與CPU當前工做的內存尋址模式緊密相關。
當CPU處於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）獲得段基地址+段內偏移獲得最終的地址。
當CPU工做於保護模式下，段寄存器存儲的內容再也不是段基址了，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」的是哪一個分段。
注意我這裏的指向打了引號，段寄存器中存儲的並非內存段的直接地址，而是段選擇子，它的結構以下：
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，就是咱們常說的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，它的每個表項都描述了一個內存分段。
這裏提到了兩個表，全局描述符表GDT和局部描述符表LDT，關於這兩個表的介紹，下面介紹描述符寄存器時再詳述，這裏只須要知道，這是CPU支持分段式內存管理須要的表格，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後的內存分段，經過下圖的方式聯繫在一塊兒：
通用寄存器、段寄存器、標誌寄存器、指令寄存器，這四組寄存器共同構成了一個基本的指令執行環境，一個線程的上下文也基本上就是這些寄存器，在執行線程切換的時候，就是修改它們的內容。
控制寄存器
控制寄存器是CPU中一組至關重要的寄存器，咱們知道eflags寄存器記錄了當前運行線程的一系列關鍵信息。
那CPU運行過程當中自身的一些關鍵信息保存在哪裏呢？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位增長了cr8。他們各自有不一樣的功能，但都存儲了CPU工做時的重要信息：
cr0: 存儲了CPU控制標記和工做狀態 cr1: 保留未使用 cr2: 頁錯誤出現時保存致使出錯的地址 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工做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尤爲重要，它包含了太多重要的CPU信息，值得單獨關注一下：
一些重要的標記位含義以下：
PG: 是否啓用內存分頁
AM: 是否啓用內存對齊自動檢查
WP: 是否開啓內存寫保護，若開啓，對只讀頁面嘗試寫入時將觸發異常，這一機制經常被用來實現寫時複製功能
PE: 是否開啓保護模式
除了CR0，另外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，能夠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。
調試寄存器
在x86/x64CPU內部，還有一組用於支持軟件調試的寄存器。
調試，對於咱們程序員是屢見不鮮，必備技能。但你想過你的程序可以被調試背後的原理嗎？
程序可以被調試，關鍵在於可以被中斷執行和恢復執行，被中斷的地方就是咱們設置的斷點。那程序是如何能在遇到斷點的時候停下來呢？
對於一些解釋執行（PHP、Python、JavaScript）或虛擬機執行（Java）的高級語言，這很容易辦到，由於它們的執行都在解釋器/虛擬機的掌控之中。
而對於像C、C++這樣的「底層」編程語言，程序代碼是直接編譯成CPU的機器指令來執行的，這就須要CPU來提供對於調試的支持了。
對於一般的斷點，也就是程序執行到某個位置下就停下來，這種斷點實現的方式，在x86/x64上，是利用了一條軟中斷指令：int 3來進行實現的。
注意，這裏的int不是指高級語言裏面的整數，而是表示interrupt中斷的意思，是一條彙編指令，int 3則表示中斷向量號爲3的中斷。
在咱們使用調試器下斷點時，調試器將會把對應位置的原來的指令替換爲一個int 3指令，機器碼爲0xCC。這個動做對咱們是透明的，咱們在調試器中看到的依然是原來的指令，但實際上內存中已經不是原來的指令了。
順便提一句，兩個0xCC是漢字【燙】的編碼，在一些編譯器裏，會給線程的棧中填充大量的0xCC，若是程序出錯的時候，咱們常常會看到不少燙燙燙出現，就是這個緣由。
言歸正傳，CPU在執行這條int 3指令時，將自動觸發中斷處理流程（雖然這實際上不是一個真正的中斷），CPU將取出IDTR寄存器指向的中斷描述符表IDT的第3項，執行裏面的中斷處理函數。
而這個中斷描述符表，早在操做系統啓動之初，就已經提早安排好了，因此執行這條指令後，操做系統的中斷處理函數將介入，來處理這一事件。
後面的過程就多了，簡單來講，操做系統會把觸發這一事件的進程凍結起來，隨後將這一事件發送到調試器，調試器拿到以後就知道目標進程觸發斷點了。這個時候，我們程序員就能經過調試器的UI交互界面或者命令行調試接口來調試目標進程，查看堆棧、查看內存、變量都隨你。
若是咱們要繼續運行，調試器將會把以前修改的int 3指令給恢復回去，而後告知操做系統：我處理完了，把目標進程解凍吧！
上面簡單描述了一下普通斷點的實現原理。如今思考一個場景：咱們發現一個bug，某個全局整數型變量的值總是莫名其妙被修改，但你發現有不少線程，不少函數都有可能會去修改這個變量，你想找出到底誰幹的，怎麼辦？
這個時候上面的普通斷點就沒辦法了，你須要一種新的斷點：硬件斷點。
這時候就該本小節的主人公調試寄存器登場表演了。
在x86架構CPU內部，提供了8個調試寄存器DR0~DR7。
DR0~DR3：這是四個用於存儲地址的寄存器
DR4~DR5：這兩個有點特殊，受前面提到的CR4寄存器中的標誌位DE位控制，若是CR4的DE位是1，則DR四、DR5是不可訪問的，訪問將觸發異常。若是CR4的DE位是0，則DR4和DR5將會變成DR6和DR7的別名，至關於作了一個軟連接。這樣作是爲了將DR四、DR5保留，以便未來擴展調試功能時使用。
DR6：這個寄存器中存儲了硬件斷點觸發後的一些狀態信息
DR7：調試控制寄存器，這裏面記錄了對DR0-DR3這四個寄存器中存儲地址的中斷方式（是對地址的讀，仍是寫，仍是執行）、數據長度（1/2/4個字節）以及做用範圍等信息
經過調試器的接口設置硬件斷點後，CPU在執行代碼的過程當中，若是知足條件，將自動中斷下來。
回答前面提出的問題，想要找出是誰偷偷修改了全局整形變量，只須要經過調試器設置一個硬件寫入斷點便可。
描述符寄存器
所謂描述符，其實就是一個數據結構，用來記錄一些信息，‘描述’一個東西。把不少個描述符排列在一塊兒，組成一個表，就成了描述符表。再使用一個寄存器來指向這個表，這個寄存器就是描述符寄存器。
在x86/x64系列CPU中，有三個很是重要的描述符寄存器，它們分別存儲了三個地址，指向了三個很是重要的描述符表。
gdtr: 全局描述符表寄存器，前面提到，CPU如今使用的是段+分頁結合的內存管理方式，那系統總共有那些分段呢？這就存儲在一個叫全局描述符表（GDT）的表格中，並用gdtr寄存器指向這個表。這個表中的每一項都描述了一個內存段的信息。
ldtr: 局部描述符表寄存器，這個寄存器和上面的gdtr同樣，一樣指向的是一個段描述符表（LDT）。不一樣的是，GDT是全局惟一，LDT是局部使用的，能夠建立多個，隨着任務段切換而切換（下文介紹任務寄存器會提到）。
GDT和LDT中的表項，就是段描述符，描述了一個內存分段的信息，其結構以下：
一個表項佔據8個字節（32位CPU），裏面存儲了一個內存分段的諸多信息：基地址、大小、權限、類型等信息。
除了這兩個段描述符寄存器，還有一個很是重要的描述符寄存器：
idtr: 中斷描述符表寄存器，指向了中斷描述符表IDT，這個表的每一項都是一箇中斷處理描述符，當CPU執行過程當中發生了硬中斷、異常、軟中斷時，將自動從這個表中定位對應的表項，裏面記錄了發生中斷、異常時該去哪裏執行處理函數。
IDT中的表項稱爲Gate，中文意思爲門，由於這是應用程序進入內核的主要入口。雖然表的名字叫中斷描述符表，但表中存儲的不全是中斷描述符，IDT中的表項存在三種類型，對應三種類型的門：
任務門 陷阱門 中斷門
三種描述符中都存儲了處理這個中斷/異常/任務時該去哪裏處理的地址。三種門用途不一，其中中斷門是真正意義上的中斷，而像前面提到的調試指令int 3以及老式的系統調用指令int 2e/int 80都屬於陷阱門。任務門則用的較少，要了解任務門，先了解下任務寄存器。
任務寄存器
現代操做系統，都是支持多任務併發運行的，x86架構CPU爲了順應時代潮流，在硬件層面上提供了專門的機制用來支持多任務的切換，這體如今兩個方面：
CPU內部設置了一個專用的寄存器—— 任務寄存器TR，它指向當前運行的任務。
定義了描述任務的數據結構 TSS，裏面存儲了一個任務的上下文（一系列寄存器的值），下圖是一個32位CPU的TSS結構圖：
x86CPU的構想是每個任務對應一個TSS，而後由TR寄存器指向當前的任務，執行任務切換時，修改TR寄存器的指向便可，這是硬件層面的多任務切換機制。
這個構想其實仍是很不錯的，然而現實卻打了臉，包括Linux和Windows在內的主流操做系統都沒有使用這個機制來進行線程切換，而是本身使用軟件來實現多線程切換。
因此，絕大多數狀況下，TR寄存器都是指向固定的，即使線程切換了，TR寄存器仍然不會變化。
注意，我這裏說的的是絕大多數狀況，而沒有說死。雖然操做系統不依靠TSS來實現多任務切換，但這並不意味着CPU提供的TSS操做系統一點也沒有使用。仍是存在一些特殊狀況，如一些異常處理會使用到TSS來執行處理。
下面這張圖，展現了控制寄存器、描述符寄存器、任務寄存器構成的全貌：
模型特定寄存器
從80486以後的x86架構CPU，內部增長了一組新的寄存器，統稱爲MSR寄存器，中文直譯是模型特定寄存器，意思是這些寄存器不像上面列出的寄存器是固定的，這些寄存器可能隨着不一樣的版本有所變化。這些寄存器主要用來支持一些新的功能。
隨着x86CPU不斷更新換代，MSR寄存器變的愈來愈多，但與此同時，有一部分MSR寄存器隨着版本迭代，慢慢固化下來，成爲了變化中那部分不變的，這部分MSR寄存器，Intel將其稱爲Architected MSR，這部分MSR寄存器，在命名上，統一加上了IA32的前綴。
這裏選取三個表明性的MSR簡單介紹一下：
IA32_SYSENTER_CS IA32_SYSENTER_ESP IA32_SYSENTER_EIP
這三個MSR寄存器是用來實現快速系統調用。
在早期的x86架構CPU上，系統調用依賴於軟中斷實現，相似於前面調試用到的int 3指令，在Windows上，系統調用用到的是int 2e，在Linux上，用的是int 80。
軟中斷畢竟仍是比較慢的，由於執行軟中斷就須要內存查表，經過IDTR定位到IDT，再取出函數進行執行。
系統調用是一個頻繁觸發的動做，如此這般勢必對性能有所影響。在進入奔騰時代後，就加上了上面的三個MSR寄存器，分別存儲了執行系統調用後，內核系統調用入口函數所須要的段寄存器、堆棧棧頂、函數地址，再也不須要內存查表。快速系統調用還提供了專門的CPU指令sysenter/sysexit用來發起系統調用和退出系統調用。
在64位上，這一對指令升級爲syscall/sysret。
總結
以上就是所有要介紹的寄存器了，須要說明一下的是，這並非x86CPU所有全部的寄存器，除了這些，還存在XMM、MMX、FPU浮點數運算等其餘寄存器。
這篇文章以x86/x64架構CPU爲目標，經過對CPU內部寄存器的闡述，串講了CPU執行代碼機制、內存尋址技術、中斷與異常處理、多任務管理、系統調用、調試原理等多種計算機底層知識。
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