X86 寄存器總結
首先來認識一下 INTEL 體系下的 x86 指令集的相關知識。
x86 是 intel 公司開發的一種 32 位指令集，自從 80386 開始一直沿用至今，它是一種複雜指令集的架構，intel 官方把這種指令集叫做 "IA-32" 。
X86_64 是一種 64 位指令集，所以我們常說的 x86_64 和 x86 的主要區別就是 32 位和 64 位的問題，這倆指令集體系的指令長度不同。指令集是 CPU 的語言，32 位指令集表示 CPU 一次能夠處理 32 位數據，64 位指令集表示 CPU 一次能夠處理 64 位的數據，更為高效。
這個 32 位和 64 位也表示著我們常說的 32 位作業系統或者 64 位作業系統。
x86 中的 X 表示一個範圍，這個範圍裡面泛指很多指令集型號，後來為了統一，把 x86 就指代的是 32 位指令集。
x86 家族下的指令集主要有
- 8086、8088 - 16 位寄存器
- 80186、80286 是兩個過度產品
- 80386、80486 以及後面的各種型號都是 32 位寄存器。
x86 寄存器
熟悉我的小夥伴都知道，我寫過幾篇彙編語言的文章，而且還在持續更新中，我寫的彙編語言就是基於 8086 彙編為前提的，8086 彙編中的寄存器是 16 位的，而 x86 寄存器的位數都是 32 位的，主要分為：
- 8 個通用寄存器，分別是 EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP
- 1 個標誌寄存器：EFlags
- 6 個段寄存器：CS、DS、ES、FS、GS、SS
- 5 個控制寄存器：CR0 - CR4
- 8 個調試寄存器：DR0 - DR7
- 4 個系統地址寄存器：GDTR、IDTR、LDTR、TR
- 其他寄存器：EIP、TSC 等。
通用寄存器
我們在學彙編的時候知道（不過你沒學過彙編也不會妨礙，我會儘量平鋪直敘些），十六位的寄存器比如 AX、BX、CX、DX 它們都是可以再細分的，如下圖所示。
拿 AX 和 AH、AL 來舉例子，我們可以把數據暫存在 AX 中，也可以把數據暫存在 AL 和 AH 中，它們可以單獨使用，也可以一起使用。
需要注意的是，暫存在 AX 中的數據，其內部真實情況還是寫入了 AL 中，當數據超過 AL 所能暫存的最大值後才會寫入到 AH 中，不能把數據直接暫存在 AH 中。AX = AL + AH ，好好體會這個公式，其他三個寄存器類似，就是暫存的數據和指令類型不同。
回到 32 位的 x86 寄存器中來，也是同樣的情況，EAX、EBX、ECX、EDX 這四個 32 位寄存器都可以再細分，如下所示：
除了這 4 個 32 位寄存器可以分為 8 位寄存器之外，其他通用寄存器不可再分為 8 位的寄存器（ESI、EDI、ESP、EBP）。
下面來介紹一下這幾個寄存器的主要作用：
可再分成 8 位的通用寄存器 - 4 個。
- EAX：累加器（Accumulator），它的低 16 位是 AX，AX 可以再細分為 AH 和 AL。EAX 是很多乘除法的默認寄存器，比如我們學 8086 的時候，被除數就會默認放在 AX 中或者 AX 和 DX 中。EAX 同理。還可以存放函數的返回值、存放段的偏移地址等。
- EBX：基地址寄存器（Base Register），它的低 16 位是 BX ，BX 還可以再細分為 BH 和 BL。主要用於在尋址內存單元時存放基地址。
- ECX：計數寄存器（Count Register），它的低 16 位是 CX，CX 可以再分為 CH 和 CL。ECX 主要用於在循環指令中控制循環次數；其中 CL 在移位指令中用於指明移位位數。
- EDX：數據寄存器（Data Register），它的低 16 位是 DX，DX 可以再分為 DH 和 DL。EDX 用於存放乘除法的高位運算結果，也可用於存放 IO 埠地址。
不可再分成 8 位的通用寄存器 - 4 個。
- ESI/EDI：這倆是一對兒的關係，分別叫做源索引寄存器（Source Index Register）和 目標索引寄存器（Destination Index Register），它倆只能分成兩個 16 位寄存器 SI 和 DI。這倆用於存放尋址的偏移量。它們和 EBX 一起使用可以實現更靈活的內存尋址。ESI 和 EDI 最常用的就是字符串檢索，在字符串操作指令中，DS：ESI 指向源字符串，ES：EDI 指向目標字符串。
- EBP/BSP：分別是基指針寄存器（Base Pointer Register）和堆棧指針寄存器（Stack Pointer Register），低 16 位分別是 BP 和 SP，不能再細分。BP 作為通用寄存器，也可存儲算術邏輯運算的操作數和運算結果，作為指針寄存器，BP 可以直接存取內存數據。SP 是堆棧指針寄存器，它和 SS 一起指向堆棧的棧頂，並且 SP 只用於訪問棧頂。
標誌寄存器
EFLAGS 屬於狀態寄存器，也被稱作標誌寄存器。狀態/標誌寄存器對於程序的執行過程和運行結果來說至關重要。EFLAGS 如下圖所示。
EFLAGS 中的系統標誌和 IOPL 欄位用於控制 IO 訪問、可屏蔽硬體中斷、調試、任務切換以及虛擬 - 8086 模式。其他是一些通用標誌，這裡有 CF - 進位標誌，PF - 恢復標誌 ，AF - 輔助進位標誌， ZF - 零標誌，SF - 負號標誌，DF - 方向標誌，OF - 溢出標誌。其中的第 1、3、5、15、18 - 31 位作為保留位。
通過使用 LAHF/SAHF/PUSHF/POPF/POPFD 等指令，可以將 EFLAGS 寄存器中的標誌位成組移到棧中或 EAX 寄存器，或者從內存等位置將結果保存到 EFLAGS 寄存器中。
下面我們對這些標誌位進行說明。
- 狀態標誌位（Status Flag）
EFLAGS 寄存器中的 0、2、4、6、7、11 位是算數指令的結果標誌，算數指令包括 ADD、SUB、MUL、DIV。這些狀態標誌位的作用如下：
- CF（0 位）：Carry Flag 無符號運算數的運算結果標識，如果算數操作產生的結果在最高有效位發生進位或者借位，就將其置為 1 。比如對於位數為 N 的無符號數來說，其對應的二進位最高有效位是 N - 1 位，其第 N 位是它的假想最高位。如果最高有效位向更高有效位進位，就表示運算進位，CF = 1，借位同樣如此。
- PF（2 位）：Parity flag 奇偶標誌位，如果運算結果轉換成二進位後，其包含偶數個 1 時，則 PF 位為 1 ，否則為 0。
- AF（4 位）：Adjust flag 輔助進位，如果算術操作在結果的第 3 位發生進位或借位則將該標誌置1，否則清零。這個標誌在BCD（binary-code decimal）算術運算中被使用。
- ZF（6 位）：Zero flag 零標誌位，判斷運算結果是否為 0 ，如果為 0，ZF = 1。
- SF（7 位）：Sign flag 負號標誌位，判斷運算結果的二進位最高有效位是否為 1 - 表示負數，如果是負數，SF = 1。
- OF（11 位）：Overflow flag 溢出標誌，有符號數的運算結果標誌。
簡單來說就是：
算數指令會產生三類結果：無符號整型、有符號整型和 BCD ，BCD 就是用二進位來表示的整型。如果把結果當成是有符號數，那麼會影響 OF 標誌，產生進位或借位；如果把結果當成無符號數，會影響 CF 標誌，產生進位或借位；如果結果是 BCD ，就會影響 AF 、SF、PF、ZF 標誌。
- 控制標誌位（DF-Direction flag）
DF 控制著串傳輸指令，它是一個方向標誌位。在串傳輸比如 movS 指令中，控制每次操作後的 SI DI 的遞增或遞減。df = 0 表示每次操作後 SI、DI 遞增；df = 1 表示每次操作後 SI、DI 遞減。cld 指令和 std 指令控制著遞增和遞減。cld 指令將 df 置 0 ，遞增；std 指令將 df 置 1 ，遞減。df = 0 可以理解為正向傳遞；df = 1 為逆向傳遞。
- 系統標誌和 IOPL 域（System Flags and IOPL Field）
EFLAGS 寄存器中的這部分標誌用於控制作業系統或是執行操作，它們不允許被應用程式所修改。這些標誌的作用如下：
- TF（8 位）：Trap flag 跟蹤標誌，將該位設置為 1 表示允許單步調試操作，清零則不允許單步調試。單步執行過程中，在每個指令執行之後都會產生一個調試異常，這樣我們就可以觀察每個指令運行後的狀態。
- IF（9 位）：Interrupt enable flag 這個標誌用於控制處理器對可屏蔽中斷請求的響應，IF = 1 表示響應可屏蔽中斷；IF = 0 表示禁止可屏蔽中斷。
- IOPL（12-13 位）：I/O privilege level field 指示當前運行的 IO 特權級（IO Level），當前運行程序或任務的 CPL 必須小於等於 IOPL 才允許訪問。只有當 CPL 特權級為 0 時，程序才能使用 POPF 和 IRET 指令修改這個欄位。
- NT（14 位）：Nested Task 嵌套任務標誌，它控制著被中斷任務和調用任務之間的連結關係。在使用 CALL 指令、中斷或者異常執行任務調用時，處理器會設置這個標誌。在通過 IRET 從任務返回時，處理器會檢查這個 NT 標誌，使用 POPF POPFD 也可以修改這個標誌。
- RT（16 位）：Resume flag 恢復標誌，控制處理器對調試斷點的響應。設置這個值時，這個標誌會臨時禁止斷點指令產生的調試異常；當恢復時，斷點指令將會產生異常。
- VM（17 位）：Virtual-8086 Mode 標誌，設置此位時，就開啟虛擬 8086 模式；當復位這個標誌時，就回到保護模式下。
段寄存器
段寄存器主要有 6 個，CS、DS、ES、FS、GS、SS，這些段寄存器也被稱為 sreg，相對的，reg 是用來表示寄存器的。
段寄存器存在的意義是為了讓內存更好的分段來用的，內存地址的訪問通過段寄存器 + 段內偏移來實現。這些 CS、DS、ES、FS、GS、SS 就是幹這事的，也可以把段寄存器 + 段內偏移來理解成小區 + 房號的組合，小區就是段基址，你家的房號就是段內偏移。這樣通過小區和房號就能唯一定位你的位置（內存物理地址），並且這個位置是 16 位的。下面說下這六個兄弟都是哪個小區：
CS：一般用來描述代碼段，代碼段保存正在執行的指令。處理器從代碼段讀取指令時，使用有 CS 寄存器中的段選擇符與 EIP 寄存器聯合構成的邏輯地址。取指執行是計算機一個非常重要的概念。它所表明的含義就是取得 CS:IP 地址（在 x86 體系下就是 EIP，32 位）處的指令來執行。
DS：數據段寄存器，一般用來保存程序的數據結構。
ES/FS/GS：這三個段寄存器可以一起理解，它們指的是額外的數據段，其實也可以和 DS 一起理解。例如，可以創建如下的四個數據段：第一個數據段保存當前程序模塊的數據結構，第二個數據段保存更高級別程序模塊導出的數據，第三個數據段保存動態創建的數據結構，最後一個數據段保存另一個程序共享出來的數據。
SS：一般用來描述棧段的選擇符，這裡的棧段用於存儲程序和當前執行處理器程序的棧幀，所有在棧上的操作都可以通過 SS:SP 來定位，並且 SS:SP 一定是指向棧頂的。
控制寄存器
控制寄存器有四個，比較簡單粗暴，分為 CR0、CR1、CR2、CR3 ，控制寄存器用於確定處理器的操作模式以及當前執行任務的特性，這幾個寄存器都是 32 位的，各自的作用如下圖所示：
這幾個寄存器是與分頁機制密切相關，因此，在進程管理及虛擬內存管理中會涉及到這幾個寄存器。對控制寄存器的讀寫是通過 mov 指令來實現。
- CR0 ：含有控制處理器操作模式和狀態的系統控制標識，它分為兩種，一種是協處理器控制位，一種是保護控制位。先說下協處理器控制位：其中擴展類型位 ET、任務切換位 TS、仿真位 EM 和數學存在位 MP 用於控制 x86 的浮點，也就是數學協處理器的操作。
協處理器是個什麼概念呢，它就是一種晶片，用於減輕系統微處理器特定處理任務的晶片。
CR0 的 ET位（標誌）用於選擇與協處理器進行通信所使用的協議，即指明系統中使用的是 80387 還是 80287 協處理器。TS、MP 和 EM 位用於確定浮點指令或 WAIT 指令是否應該產生一個設備不存在（Device Not Available，DNA）異常。這個異常可用來僅為使用浮點運算的任務保存和恢復浮點寄存器。對於沒有使 用浮點運算的任務，這樣做可以加快它們之間的切換操作。
保護控制位：
（1）PE：CR0 的 第 0 位是啟用保護（Protection Enable）標誌。當設置該位時即開啟了保護模式；當復位時即進入實地址模式。這個標誌僅開啟段級保護，而並沒有啟用分頁機制。若要啟用分頁機制，那麼 PE 和 PG 標誌都要置位。（2）PG：CR0 的第 31 位是分頁（Paging）標誌。當設置該位時即開啟了分頁機制；當復位時則禁止分頁機制，此時所有線性地址等同於物理地址。在開啟這個標誌之前必須已經或者同時開啟 PE 標誌。即若要啟用分頁機制，那麼 PE 和 PG 標誌都要置位。
（3）WP：對於 intel 80486 或以上的 CPU 來說，CR0 第16 位是防寫（Write Protect）標誌。當設置這個標誌時，會禁止超級用戶向用戶級只讀頁面執行寫操作；復位時相反。這個標誌有助於 UNIX 類系統實現寫時複製技術。
（4）對於 intel 80486 或以上的 CPU 來說，CR0 第 5 位是協處理器錯誤標誌（Numeric Error）。
- CR1 作保留用
- CR2 和 CR3 用於分頁機制，CR2 是頁故障線性地址寄存器，保存最後一次出現頁故障的全 32 位線性地址。在報告頁異常時，處理器會把引起異常的線性地址存放在 CR2 中。因此作業系統中的頁異常處理程序可以通過檢查 CR2 的內容來確定線性地址空間中哪一個頁面引發了異常。
- CR3 含有存放目錄表頁面的物理地址，因此該寄存器也被稱為頁目錄基地址寄存器 PDBR（Page-Directory Base address Register）
內存管理寄存器
內存管理器有四個，分別是 GDTR、LDTR、IDTR 和 TR 。
GDTR、LDTR、IDTR 和 TR 都是段基址寄存器，這些寄存器中都包含著分段機制的重要信息。GDTR、LDTR 和 IDTR 用於尋址存放描述符表的段。TR 用於尋址一個特殊的任務狀態段 TSS，TSS 段中包含著當前執行任務的重要信息。
因為進入保護模式後，是無法直接尋址到內存段、數據段和棧段的，這些段的信息都被保存在 GDT 全局描述符表中，全局描述符表就是記錄各個段信息的表。
- 全局描述符寄存器 GDTR
GDTR 寄存器用於存儲 GDT 全局描述符表中 16 位的表長和 32 位的線性地址。LGDT 和 SGDT 指令分別用於加載和保存 GDTR 寄存器的內容。在機器剛加電或處理器復位後，基地址被默認設置為 0 ，而長度被設置位 0xFFFF。
- 中斷描述符寄存器 IDTR
和 GDTR 類似，只不過它是用來保存中段描述符表 IDT 的寄存器，使用 LIDT 和 SIDT 用於加載和保存 IDTR 寄存器的內容。在機器剛加電或處理器復位後，基地址被默認設置為 0 ，而長度被設置位 0xFFFF。
- 局部描述符表 LDTR
LDTR 用於存放局部描述符表 LDT 的 32 位線性基地址、16 位段限長和描述符屬性值。指令 LLDT 和 SLDT 分別用於加載和保存 LDTR 寄存器描述符的部分。包含 LDT 表的段必須在 GDT 表中有一個段描述符項。
- 任務寄存器 TR
TR 寄存器用於存放當前任務 TSS 段的 16 位段選擇符、32 位基地址、16 位段長度和描述屬性值。它引用 GDT 表中一個 TSS 類型的描述符。指令 LTR 和 STR 分別用於加載和保存 TR 寄存器的段選擇符部分。
其他寄存器
EIP：指令的偏移地址。其本質上並不能直接被指令訪問。這個寄存器指令由控制轉移指令、中斷及異常所控制。讀操作通過執行 call 指令並取得棧中所存放的地址來實現，而寫操作則通過修改程序棧中的返回指令指針並執行RET/IRET 指令來完成，因此儘管這個寄存器相當重要，但其實並不是作業系統在實現過程中所需關注的焦點。
TSC：（時間戳寄存器）每個時鐘周期時其值加 1，重啟時清零。
浮點寄存器：由於在 80486 微處理器內部設有浮點運算器，因此在其內部有相應的寄存器，其中包括 8 個 80 位通用數據寄存器、1 個 48 位指令指針寄存器、1 個 48 位數據指針寄存器、1 個 16 位控制字寄存器、1個 16 位狀態字寄存器和 1 個 16 位標記字寄存器。
系統指令
系統指令用於處理系統級命令，比如加載系統寄存器、中斷。大多數指令只能處於特權級為 0 的作業系統軟體執行。
這裡需要說明一下，作業系統操作是有等級權限的，不是應用程式在何時何地都可以訪問或者操作內核的，特權級有 4 個 level，分別為 0 ~ 3。
作業系統位於 0 級特權，可以直接控制硬體，掌控各種核心數據；系統程序分別位於 1 級特權或 2 級特權，主要是一些虛擬機、驅動程序等系統服務；而一般的應用程式運行在 3 級特權。
下面列出了一些作業系統指令，並且還提到了是否受到保護：