应知应会的硬核知识

编程入门行业动态更新时间:2024-10-11 01:21:06

应知应会的硬核知识

众所周知，寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，可用来暂时存放参与运算的数据和运算结果，可分为通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。除此之外，CPU 内部还有运算器，负责处理数据；控制器控制其他组件；外部总线连接 CPU 和各种部件，进行数据传输；内部总线负责 CPU 内部各种组件的数据处理。

CPU 的主要职责就是用来处理数据，会涉及从存储区域读写数据，内存的数据处理和分配是有开销的，而寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快，所以寄存器通常作为最高速缓存。而在利用汇编做一些inline-hook等黑科技的时候，最主要关注的是寄存器的状态和存储数据。

初识寄存器

我们先简单看下CPU内部的构造：

上图是冯·诺伊曼型计算机的 CPU，每个CPU都有一套自己可以执行的专门的指令集(注意，这部分指令是CPU提供的，CPU-Z软件可查看)。

取指、解码、执行三个过程构成一个CPU的基本周期，称作指令周期（可能还有结果回写）

取指令阶段是将内存中的指令读取到 CPU 中寄存器的过程，程序寄存器用于存储下一条指令所在的地址
指令译码阶段，在取指令完成后，立马进入指令译码阶段，在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。
执行指令阶段，译码完成后，就需要执行这一条指令了，此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。
结果写回阶段，作为最后一个阶段，结果写回（Write Back，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据写回到 CPU 的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；

为了改善性能，CPU已经不是单条取指-->解码-->执行的路线，而是分别为这3个过程分别提供独立的取值单元，解码单元以及执行单元。这样就形成了流水线模式。

CPU内部不可或缺的存储单元寄存器，寄存器按功能一般可划分为通用寄存器、控制寄存器、段寄存器。

通用寄存器

通用寄存器组包括AX、BX、CX、DX4个16位寄存器，用以存放16位数据或地址。

AX(Accumulator Register) ：累加寄存器，它主要用于输入/输出和大规模的指令运算。
BX(Base Register)：基址寄存器，用来存储基础访问地址
CX(Count Register)：计数寄存器，CX 寄存器在迭代的操作中会循环计数
DX(data Register)：数据寄存器，它也用于输入/输出操作。它还与 AX 寄存器以及 DX 一起使用，用于涉及大数值的乘法和除法运算。

这四种寄存器可以分为上半部分和下半部分，用作八个 8 位数据寄存器

「AX 寄存器可以分为两个独立的 8 位的 AH 和 AL 寄存器；」
「BX 寄存器可以分为两个独立的 8 位的 BH 和 BL 寄存器；」
「CX 寄存器可以分为两个独立的 8 位的 CH 和 CL 寄存器；」
「DX 寄存器可以分为两个独立的 8 位的 DH 和 DL 寄存器；」

寄存器的存储方式是先存储低位，如果低位满足不了就存储高位，如果低位能够满足，高位用 0 补全，在其他低位能满足的情况下，其余位也用 0 补全。

比如数据 14 ，它在 16 位存储器中所存储的表示如下

AX 寄存器

AX 被称作累加寄存器或者简称为累加器，其可以分为 2 个独立的 8 位寄存器 AH 和 AL；在编写汇编程序中，AX 寄存器可以说是使用频率最高的寄存器。

mov ax,10   /* 将 10 送入寄存器 AX*/
mov ah,10   /* 将 10 送入寄存器 AH*/
add ax,10   /* 将寄存器 AX 中的数值加上 10 */

BX 寄存器

BX 被称为基址寄存器，可间接寻址的地址寄存器和基地址寄存器。同样为了适应以前的 8 位 CPU ，而可以将 BX 当做两个独立的 8 位寄存器使用，即有 BH 和 BL，作通用数据寄存器。BX 寄存器中存放的数据一般是用来作为偏移地址 使用的，因为偏移地址当然是在基址地址上的偏移了。偏移地址是在段寄存器中存储的，关于段寄存器的介绍，我们后面再说。

CX 寄存器

CX 是数据寄存器，能够暂存一般性数据。同样为了适应以前的 8 位 CPU ，而可以将 CX 当做两个独立的 8 位寄存器使用，即有 CH 和 CL。除此之外，CX 也是有其专门的用途的，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，每次执行循环 LOOP 时候，CPU 会做两件事

计数器自动减 1
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，当然如果 CX 中的值不为 0 ，则会继续执行循环中所指定的指令。

DX 寄存器

除用作通用寄存器外，在I/O指令中可用作端口地址寄存器，乘除指令中用作辅助累加器，支持 MUL 和 DIV 指令。同时也支持数值溢出等。

段寄存器

CPU 包含四个段寄存器，用作程序指令，数据或栈的基础位置，它们分别是代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS、附加段寄存器ES、由它们给出相应逻辑段的首地址，称为“段基址”。

CS(Code Segment) ：代码寄存器，程序代码的基础位置
DS(Data Segment)：数据寄存器，变量的基本位置
SS(Stack Segment)：栈寄存器，栈的基础位置
ES(Extra Segment)：其他寄存器，内存中变量的其他基本位置。

指针和变址寄存器

这组寄存器存放的内容是某一段内地址偏移量，用来形成操作数地址，主要在堆栈操作和变址运算中使用：

BP(Base Pointer)：基础指针，它是栈寄存器上的偏移量，用来定位栈上变量
SP(Stack Pointer): 栈指针，它是栈寄存器上的偏移量，用来定位栈顶
SI(Source Index): 变址寄存器，用来拷贝源字符串
DI(Destination Index): 目标变址寄存器，用来复制到目标字符串

状态和控制寄存器

IP(Instruction Pointer)：指令指针寄存器，它是从 Code Segment 代码寄存器处的偏移来存储执行的下一条指令
FR : FR 寄存器用于存储当前进程的状态，这些状态有
位置 (Direction)：用于数据块的传输方向，是向上传输还是向下传输
中断标志位 (Interrupt) ：1 - 允许；0 - 禁止
陷入位 (Trap) ：确定每条指令执行完成后，CPU 是否应该停止。1 - 开启，0 - 关闭
进位 (Carry) : 设置最后一个无符号算术运算是否带有进位
溢出 (Overflow) : 设置最后一个有符号运算是否溢出
符号 (Sign) : 如果最后一次算术运算为负，则设置 1 =负，0 =正
零位 (Zero) : 如果最后一次算术运算结果为零，1 = 零
辅助进位 (Aux Carry) ：用于第三位到第四位的进位
奇偶校验 (Parity) : 用于奇偶校验

重点提及下CS和IP，CS（Code Segment）是代码段寄存器，一般也被称为段基址，可以认为是程序访问的入口，CPU 需要从 CS 中找到从哪个位置开始取指执行，但是我们还不知道要取哪一段，这时候 IP 的作用就体现出来了，IP（Instruction Pointer）就是指令指针寄存器，也叫做偏移地址，它会告诉我们从段基址开始，取哪一段的地址，可以使用段基址:偏移地址来确定内存中的指定地址，它们指出了 CPU 当前需要读取指令的地址。