温故知新·寄存器

寄存器是 CPU 内部的构造,它主要用于信息的存储。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。所有的CPU都拥有一定数量的寄存器作为存储单元。寄存器的读写速度非常快——比其他任何类型的存储器访问速度都快。

IO

那为什么会出现寄存器?因为我们知道,程序在内存中装载,由 CPU 来运行,CPU 的主要职责就是用来处理数据。那么这个过程势必涉及到从存储器中读取和写入数据,因为它涉及通过控制总线发送数据请求并进入存储器存储单元,通过同一通道获取数据,这个过程非常的繁琐并且会涉及到大量的内存占用,而且有一些常用的内存页存在,其实是没有必要的,因此出现了寄存器,存储在 CPU 内部。

认识寄存器

认识寄存器之前,我们首先先来看一下 CPU 内部的构造。

CPU 从逻辑上可以分为 3 个模块,分别是控制单元、运算单元和存储单元,这三部分由 CPU 内部总线连接起来。 几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的 CPU,其工作都可以分为5个阶段:「取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回」

  • 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。
  • 访问取数阶段,根据指令的需要,有可能需要从内存中提取数据,此阶段的任务是:根据指令地址码,得到操作数在主存中的地址,并从主存中读取该操作数用于运算。
  • 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;

我们以 intel 8086 处理器为例,8086 处理器有 14 个寄存器,每个寄存器都有一个特有的名称,即**「AX,BX,CX,DX,SP,BP,SI,DI,IP,FLAG,CS,DS,SS,ES」。

这 14 个寄存器有可能进行具体的划分,按照功能可以分为三种

  • 通用寄存器
  • 段寄存器
  • 索引寄存器
  • 状态和控制寄存器

下面分别介绍一下这几种寄存器

通用寄存器

通用寄存器主要有四种 ,即 「AX、BX、CX、DX」 同样的,这四个寄存器也是 16 位的,能存放两个字节。AX、BX、CX、DX 这四个寄存器一般用来存放数据,也被称为 数据寄存器。它们的结构如下 IO

  • AX(Accumulator Register) :累加寄存器,保存算术和逻辑操作的结果
  • 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;」

除了上面 AX、BX、CX、DX 寄存器以外,其他寄存器均不可以分为两个独立的 8 位寄存器

如下图所示。 IO

合起来就是 IO

AX 的低位(0 - 7)位构成了 AL 寄存器,高 8 位(8 - 15)位构成了 AH 寄存器。AH 和 AL 寄存器是可以使用的 8 位寄存器,其他同理。

在认识了寄存器之后,我们通过一个示例来看一下数据的具体存储方式。

比如数据 19 ,它在 16 位存储器中所存储的表示如下

IO

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。

AX 寄存器

我们上面探讨过,AX 的另外一个名字叫做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。 下面是几段汇编代码 mov ax,20 /* 将 20 送入寄存器 AX*/ mov ah,80 /* 将 80 送入寄存器 AH*/ add ax,10 /* 将寄存器 AX 中的数值加上 8 */

BX 寄存器

BX 被称为数据寄存器,即表明其能够暂存一般数据。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。BX 除了具有暂存数据的功能外,还用于 寻址,即寻找物理内存地址。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,后面再说。

CX 寄存器

CX 也是数据寄存器,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

  • 一件事是计数器自动减 1

  • 还有一件就是判断 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

DX 也是数据寄存器,能够暂存一般性数据。同样为了适应以前的 8 位 CPU ,DX 的用途其实在前面介绍 AX 寄存器时便已经有所介绍了,那就是支持 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。

段寄存器主要包含

  • 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。

索引寄存器

索引寄存器主要包含段地址的偏移量,索引寄存器主要分为

  • 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

就剩下两种寄存器还没聊了,这两种寄存器是指令指针寄存器和标志寄存器:**

  • 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
  • FLAG : Flag 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
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