Linux内存管理-预备篇(寄存器)

Posted 2021-03-25 水鬼子

前言(wxy)：说到寄存器，迷迷茫茫好多年，一方面记不住每个寄存器的名称以及作用，另一方面迷惑于寄存器的名称，常常会有一个疑惑就是说道寄存器的种类，怎么各种版本，他们到底什么关系，基本上所有的博客都是直接拷贝别人的，而且也不 说明他们到底什么关系，指示罗列概念，我百度了一下午也没查出个所以然，真TM生气......今天终于解开了这个谜团，原来CPU寄存器分为两类：

用户可见寄存器，用户可以对这些寄存器进行编程，还可以通过优化使CPU因使用这类寄存器而减少对主存的访问次数，也就是说我们使用汇编语言可以直接对其操作；

控制和状态寄存器，用户不可对其进行编程，他们被控制部件使用，以控制CPU的操作，也可以被带有特权的操作系统程序使用，从而控制程序的执行。

 

一：控制和状态寄存器：

参见：https://blog.csdn.net/kwame211/article/details/77773621

CPU中至少要有六类寄存器：指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、程序状态字寄存器(PSW)。这些寄存器用来暂存一个计算机字，其数目可以根据需要进行扩充。

1. 数据寄存器(Data Register，DR/MDR)又称数据/指令缓冲寄存器 

    数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在数据寄存器中; 在单累加器结构的运算器中,还可兼作操作数寄存器。

2. 地址寄存器(Address Register，AR/MAR)用来保存CPU当前要所访问的主存单元的地址。

    当CPU和主存进行信息交换，即CPU向主存存入数据/指令或者从主存读出数据/指令时，都要使用该地址寄存器进行寻址，接着用数据寄存器存放寻址得来的数据。

    如果我们把外围设备与主存单元进行统一编址，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样要使用地址寄存器和数据寄存器。

3. 指令寄存器(Instruction Register，IR)用来保存当前正在执行的一条指令。

   当执行一条指令时，首先把该指令从主存读取到数据寄存器(DR)中，然后再传送至指令寄存器。

   指令包括操作码和地址码两个字段，为了执行指令，必须对操作码进行测试，识别出所要求的操作，指令译码器(Instruction Decoder，ID)就是完成这项工作的。指令译码器对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制电位，      并将其送到微操作控制线路上，在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号。

4. 程序计数器(Program Counter，PC)用来指出下一条指令在主存储器中的地址。

    在程序执行之前，首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC，因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址。

    当执行指令时，CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备。若为单字长指令，则(PC)+1àPC，若为双字长指令，则(PC)+2àPC，以此类推。

     但是，当遇到转移指令时，下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段来指定，而不是像通常的那样通过顺序递增PC的内容来取得。

     因此，程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

5. 累加寄存器(Accumulator，AC)是一个通用寄存器。

    当运算器的算术逻辑单元ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。

6. 程序状态字寄存器(Program Status Word，PSW),用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。

     程序状态字寄存器用来保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容，如运算结果进/借位标志(C)、运算结果溢出标志(O)、运算结果为零标志(Z)、运算结果为负标志(N)、运算结果符号标志(S)等，这些标志位通常用1位触发器来保存。除此之外，程序状态字寄存器还用来保存中断和系统工作状态等信息，以便CPU和系统及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，程序状态字寄存器是一个保存各种状态条件标志的寄存器。

 

小小结：运行一段程序，都是怎么使用这些寄存器呢？

              程序/指令是存放在存储系统中的，由CPU负责取指令，分析指令，执行指令，然后再读.....第一条指令可以由系统设定也可以人为指定，具体的工作为

              从PC中读取(第一条)指令的地址到AR中，根据AR寻址读取出数据(在这里是指令)到DR中，再因为是指令所以交给IR，进而由逻辑运算部件ALU去做运算

              但是做运算光有指令不行，还要由被计算的数据啊，所以ALU还会访问DR(这里是数据)以及其他用户操作的寄存器，

              运算的过程中还会产生中间值，那么就需要借助AC来存放了

              整个运算的过程中，PSW作为辅助提供条件码等，以及记录状态等

 

 

二，用户可见寄存器

以32位架构为例，CPU相关器存器有10个32位和6个16位的，分三大类，(wxy:为了能够很好的记住这些寄存器的作用，最好记住他们的英文，理解单词的含义)

通用寄存器(Extended * register): 不是专用的，几乎是个函数都要用到这些寄存器

     1)数据/一般寄存器：4个X(?)

          不是做什么特别的功能，就是在程序运行的过程中需要做运算时，所借助的媒介，具体为：

•  EAX(Accumulator)：被称为累加寄存器，用以进行算数运算和返回函数结果等。
•  EBX(Base)：被称为基址寄存器，在内存寻址时(比如数组运算)用以存放基地址。
•  ECX(Counter)：被称为记数寄存器，用以在循环过程中记数。
•  EDX(Data) :  被称为数据寄存器，常配合 eax 一起存放运算结果等数据。

    2)索引寄存器：2个I(index)

         用于字符串操作,字符串是一串有序的字符，所以在操作的时候肯定要有索引来标示处理的那个字符,具体为：

• ESI(Source Index): 指向要处理的数据地址?
• EDI(Destination Index):  指向存放处理结果的数据地址?

    3)指针寄存器:  2个P(Pointer):         

      程序运行和函数调用时,都用到栈,不同的程序以及程序中不同的函数,都有各自的栈空间,那么怎么来维护不同的栈?，具体为：

• ESP(Stack Pointer):  栈指针寄存器，其内存放着一个指针,永远指向当前栈的栈顶；
• EBP(Base Pointer)：基址指针寄存器，指向当前栈的栈底。
  wxy: 说到栈，都知道是用来存放函数中的一些局部变量等，即那些由程序临时分配存储的局部变量，而在系统栈空间的最上面一个栈帧，就是接下来要执行的函数(的栈帧)，所以也常常说指向系统栈最上面一个栈帧的栈顶/底。

 

 

控制寄存器：1个P + 1个Flags　

控制专用的，属于司令部，指导程序接下来怎么运行的　

EIP(Instruction Pointer)：处理器使用EIP来跟踪下一条要执行的指令,也称为程序计数寄存器

和EFLAGS。

 

wxy：有些地方提到寄存器都是ax，bx....ip等，也就是没有Extended这个单词，其实功能是一样的，只不过随着CPU位数的增长，

 

参考链接：

https://blog.csdn.net/chance_yin/article/details/8944038

http://ilinuxkernel.com/?p=1276 

https://zhuanlan.zhihu.com/p/25892385