x86 CPU

现代计算机使用的CPU大部分都是x86CPU,包括现在牙膏厂的酷睿。x86系列CPU的原型是Intel 1978年推出的8086 CPU(就是大学微机原理与接口课上学的)。

32位CPU

在历史诸多CPU中具有里程碑意义的CPU当属386和Pentium4了。368是x86系列第一款32位CPU,Pentium4是Intel第一款64位CPU。”xx位CPU”的定位比较模糊,但一般要满足以下两个条件: 1. 具备n位宽的通用寄存器 2. 具备n位以上的地址空间

“通用寄存器”是寄存器中用于整数运算等的通用的寄存器,地址空间是指进程虚拟地址的全体范围。

指令集

多种多样的CPU有着不同的架构和速度,存在很大的差异,但尽管有这些差异一般386和Core 2都可以统称为x86CPU,这是因为386和Core 2能够执行相同的机器语言的指令。如果只是使用386指令编写的程序,在386和Core 2上都是可以跑的。像这样不同的CPU都能解释的机器语言的体系称为 指令集架构(ISA, Instruction Set Architecture) ,简称 指令集 。 Intel将x86系列CPU之中的32位CPU的指令集架构称为IA-32。IA是“Intel Architecture”。

IA-32的变迁

随着CPU技术的不同发展,CPU支持的指令越来越多,IA-32中指令增加的非常多。 首先486中增加了非常重要的指令。从486的486DX型号开始加入了 浮点数运算单元(FPU,Floating Point number Processing Unit) 支持浮点数计算。486DX所支持的浮点数运算指令称为 x87FPU指令(x87 FPU instuctions)。 386也能够支持浮点数运算,但必须添加名为387的FPU。也就是说配置有387的机器与没有配置387的机器支持的指令是不同的。 所添加的其他重要的指令还有 MMX和SSE(Streaming SIMD Extensions) 。两者都是为了支持并行处理多条数据的扩展指令。例如用通常的IA-32指令进行加法运算时一次只能执行一次加法运算,但使用MMX和SSE的加法指令可以同时执行多个运算。

IA-32的64位扩展: AMD64

AMD曾先于Intel提出x86系列的64位扩展,并推出了相应的产品。由AMD设计的x86位指令集架构称为AMD64。
Intel随后在自己的CPU中加入了和AMD64几乎相同的名为Intel64的指令集。Pentium4后期的版本和Core 2的后续产品都是基于Intel64指令集架构的。
要统称AMD64和Intel64时可以试用独立于公司名称的用语:x86-64。另外,Windows中将AMD64对应的架构称为x64。
Intel曾与HP一起开发名为IA-64的指令集架构,IA-64与IA-32架构完全不兼容。Intel推出的Itanium处理器是基于IA-64架构的。

IA-32的概要

IA-32中主要寄存器如下图:

image.png

通用寄存器 (generic register)是编程时使用频率最高的寄存器,宽度为32位的通用寄存器有eax、ebx、ecx、edx、esi、esp、ebp共8个,用于整数运算和指针处理。

指令指针 (instruction pointer) 是存放下一条要执行的代码的地址的寄存器,IA-32的指令指针为32位,称为eip。

标志寄存器 (flag register) 用于保存CPU的运行模式及表示运算状态等的标志的寄存器。 浮点数寄存器 (floating point number register) 是存放浮点数的寄存器,用于浮点数的计算。IA-32中从st0到st7有8个宽度为80位的浮点数寄存器。

MMX寄存器 (MMX register) 是MMX指令用的寄存器。MMX Pentium以及Pentiunm Ⅱ之后的CPU中有从mm0到mm7共8个64位的寄存器。但实际上MMX寄存器和浮点数寄存器是共用的,即无法同时使用浮点数寄存器和MMX寄存器。

XMM寄存器 (XMM register) 是SSE指令指令用的寄存器。Pentium Ⅲ以及之后的CPU中提供了xmm0到xmm7共8个128位宽的XMM寄存器。XMM寄存器和MMX寄存器不同,是独立的寄存器不和浮点数寄存器共用。另外 mxcsr寄存器 是表示SSE指令的运算状态的寄存器。

除上述寄存器外还有写OS内核时用到的 系统寄存器 和debug时用到的 debug寄存器 以及32位环境下用不到的段寄存器。

通用寄存器

名称由来 寄存器 | 名称的由来 | 翻译 – | – | – eax | accumulator | 累加器,很多加法乘法指令的缺省寄存器 ebx | base regiter | 基底寄存器,在内存寻址时存放基地址 ecx | count register | 计数寄存器,是重复(REP)前缀指令和LOOP指令的内定计数器 edx | data register | 数据暂存寄存器,总是被用来放整数除法产生的余数 esi | source index | 源索引寄存器 edi | destination index | 目标索引寄存器 ebp | base point | 基址指针,经常被用作高级语言函数调用的frame pointer esp | stack pointer | 用作堆栈指针,称为栈顶指针

通用寄存器的宽度都为32位,它们的一部分可以当做16位/8位寄存器使用。例如可以当eax寄存器中的低16位当做16位寄存器ax来访问,还可以将ax寄存器的高8位当做ah寄存器,低8位当做al寄存器。 image.png

IA-32中各进程的一部分地址空间被当做栈来使用,主要用于保存函数的临时变量和参数。栈的位置因OS而已,IA-32 Linux平台上,栈位于各进程地址空间中靠近3GB位置。即栈是从高地址向低地址进行延伸image.png

IA-32中用栈指针(stack pointer)来表示栈,栈指针(esp寄存器)是存放栈顶地址的寄存器

栈的操作

举个例子如果我们要向栈中压一个4字节的整数17,整个操作步骤就是先将esp寄存器-4(栈从高地址向低地址进行延伸的),然后将整数保存到esp寄存器指向的内存地址中。 image.png

出栈则正好相反,首先从esp寄存器指向的内存地址中将数据加载出来,并将esp寄存器+4。

栈帧

栈并不是连续的一整块,栈是根据每一个函数分开管理的,我们将管理单个函数数据的栈的领域称为栈帧(stack frame)。如果有这样一个程序:main函数调用函数f,f调用函数g,那么这个程序在执行g时的栈就会是下图这样:

image.png

ebp寄存器总是指向当前函数栈的栈底,栈帧的顶部与当前进程的栈顶是相同的,esp寄存器总是指向栈帧的顶部。其他架构中一般将具有和基址指针相同功能的指针称为帧指针(frame pointer)。

一个栈帧中通常保存一下信息: * 临时变量 * 源函数执行中的代码地址(返回地址) * 函数的参数 在每个栈帧上存储上述信息的具体步骤是由函数的调用约定(calling convention)决定的,各个CPU、操作系统的函数调用约定是不同的。

指令指针

指令指针(instruction pointer)是存放下一条要执行的指令的地址的寄存器。CPU从该寄存器所指向的内存地址中获取下一条指令并执行,同时将指令指针推到下一条指令,可以通过跳转指令来改变指令指针的值。

根据架构的不同,有时将指令指针称为程序计数器(program counter, pc)。

标志寄存器

eflags是32位寄存器,CPU的运行模式以及运算相关的信息等都以1个bit的形式存在该寄存器中。 image.png

标志有以下三类: 1. 表示运算结果的状态标志(status flag) 2. 用于运算控制的控制标志(control flag) 3. 用于控制计算器整体运行的系统标志(system flag)

一般程序中可用的只有状态标志和控制标志,系统标志再写OS时会用到,用户模式的进程不能修改系统标志,否则会报没有权限的错误。

状态标志的具体含义如下: 简称 | 标志的正式名称 | 含义 – | – | – CF | carry flag | 运算结果中发生进位或借位 PF | parity flag | 运算结果中的奇偶标志位 AF | auxiliary carry flag | 运算结果中低4位向高4位发生进位或借位 ZF | zero flag | 比较结果为0的时候被置为1 SF | sign flag | 运算结果为负数时被置为1 OF | overflow flag | 运算结果越过了正/负的界限

这些标志位一般与跳转指令配合使用。

字节序

32位即4个字节数据的二进制表现形式如下: image.png

MSB(Most Significant Bit)指向最高位,LSB(Least Significant Bit)指向最低位。而在内存中先放MSB所在的字节还是先放LSB所在的字节是由CPU的类型决定的,先放MSB所在字节的架构称为大端(big endian),先放LSB所在字节的架构称为小端(little endian)。通过网络传输超过2个字节数据时一般使用大端的方式,所以大端也被称为网络字节序(network byte order)

本文摘自

How to develop a compiler