前段时间，我连续写了十来篇CPU底层系列技术故事文章，有不少读者私信我让我写一下CPU的寄存器。

寄存器这个太多太复杂，不适合写故事，拖了很久，总算是写完了，这篇文章就来详细聊聊x86/x64架构的CPU中那些纷繁复杂的寄存器们。

长文预警，时速较快，请系好安全带～起飞~

自1946年冯·诺伊曼领导下诞生的世界上第一台通用电子计算机ENIAC至今，计算机技术已经发展了七十多载。

从当初专用于数学计算的庞然大物，到后来大型机服务器时代，从个人微机技术蓬勃发展，到互联网浪潮席卷全球，再到移动互联网、云计算日新月异的当下，计算机变的形态各异，无处不在。

这七十多年中，出现了数不清的编程语言，通过这些编程语言，又开发了无数的应用程序。

可无论什么样的应用程序，什么样的编程语言，最终的程序逻辑都是要交付给CPU去执行实现的（当然这里有些不严谨，除了CPU，还有协处理器、GPU等等）。所以了解和学习CPU的原理都是对计算机基础知识的夯实大有裨益。

在七十多年的漫长历程中，也涌现了不少架构的CPU。

MIPS

PowerPC

x86/x64

IA64

ARM

······

这篇文章就以市场应用最为广泛的x86-x64架构为目标，通过学习了解它内部的100个寄存器功能作用，来串联阐述CPU底层工作原理。

通过这篇文章，你将了解到：

CPU指令执行原理

内存寻址技术

软件调试技术原理

中断与异常处理

系统调用

CPU多任务技术

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果以及一些CPU运行需要的信息。

x86架构CPU走的是复杂指令集（CISC） 路线，提供了丰富的指令来实现强大的功能，与此同时也提供了大量寄存器来辅助功能实现。这篇文章将覆盖下面这些寄存器：

通用寄存器

标志寄存器

指令寄存器

段寄存器

控制寄存器

调试寄存器

描述符寄存器

任务寄存器

MSR寄存器

首当其冲的是通用寄存器，这些的寄存器是程序执行代码最最常用，也最最基础的寄存器，程序执行过程中，绝大部分时间都是在操作这些寄存器来实现指令功能。

所谓通用，即这些寄存器CPU没有特殊的用途，交给应用程序“随意”使用。注意，这个随意，我打了引号，对于有些寄存器，CPU有一些潜规则，用的时候要注意。

eax: 通常用来执行加法，函数调用的返回值一般也放在这里面

ebx: 数据存取

ecx: 通常用来作为计数器，比如for循环

edx: 读写I/O端口时，edx用来存放端口号

esp: 栈顶指针，指向栈的顶部

ebp: 栈底指针，指向栈的底部，通常用ebp 偏移量的形式来定位函数存放在栈中的局部变量

esi: 字符串操作时，用于存放数据源的地址

edi: 字符串操作时，用于存放目的地址的，和esi两个经常搭配一起使用，执行字符串的复制等操作

在x64架构中，上面的通用寄存器都扩展成为64位版本，名字也进行了升级。当然，为了兼容32位模式程序，使用上面的名字仍然是可以访问的，相当于访问64位寄存器的低32位。

rax rbx rcx rdx rsp rbp rsi rdi

除了扩展原来存在的通用寄存器，x64架构还引入了8个新的通用寄存器：

r8-r15

在原来32位时代，函数调用时，那个时候通用寄存器少，参数绝大多数时候是通过线程的栈来进行传递（当然也有使用寄存器传递的，比如著名的C this指针使用ecx寄存器传递，不过能用的寄存器毕竟不多）。

进入x64时代，寄存器资源富裕了，参数传递绝大多数都是用寄存器来传了。寄存器传参的好处是速度快，减少了对内存的读写次数。

当然，具体使用栈还是用寄存器传参数，这个不是编程语言决定的，而是编译器在编译生成CPU指令时决定的，如果编译器非要在x64架构CPU上使用线程栈来传参那也不是不行，这个对高级语言是无感知的。

标志寄存器，里面有众多标记位，记录了CPU执行指令过程中的一系列状态，这些标志大都由CPU自动设置和修改：

CF 进位标志

PF 奇偶标志

ZF 零标志

SF 符号标志

OF 补码溢出标志

TF 跟踪标志

IF 中断标志

······

在x64架构下，原来的eflags寄存器升级为64位的rflags，不过其高32位并没有新增什么功能，保留为将来使用。

eip: 指令寄存器可以说是CPU中最最重要的寄存器了，它指向了下一条要执行的指令所存放的地址，CPU的工作其实就是不断取出它指向的指令，然后执行这条指令，同时指令寄存器继续指向下面一条指令，如此不断重复，这就是CPU工作的基本日常。

而在漏洞攻击中，黑客想尽办法费尽心机都想要修改指令寄存器的地址，从而能够执行恶意代码。

同样的，在x64架构下，32位的eip升级为64位的rip寄存器。

段寄存器与CPU的内存寻址技术紧密相关。

早在16位的8086CPU时代，内存资源宝贵，CPU使用分段式内存寻址技术：