寄存器是硬件还是软件，软件视角下的计算机组成

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1、寄存器是硬件还是软件：技术文章：软件视角下的计算机组成：内存、寄存器、汇编语言

寄存器，是CPU里用来暂时存储数据的超高速存储单元。

写汇编语言时，大多数时间就是跟寄存器打交道。

编译器，就是个代替人类去写汇编语言的工具软件，所以编译器的大多数代码也是跟寄存器打交道。

寄存器、内存、汇编指令，是编译器后端绕不开的东西。

寄存器在不同的CPU平台上是不同的，叫的名字不一样，个数不一样，但是功能都差不多。

intel平台上，寄存器一开始是按功能来起名字的，例如：

32位的CPU只有8个寄存器，分别是：eax，ebx，ecx，edx，ebp，esp，esi，edi。

1，eax，

在16位机的时代叫ax。

到了32位机的时代给扩展到了32位，所以叫“扩展的ax”：extendedax，即eax。

其他前面带e的寄存器，也是这么来的。

它最初的目的是作为加法器，名字里的a指的是add（按英语语法该用名词）。

但实际上，eax就是个通用寄存器。

按照C语言的二进制接口（ABI），约定它同时作为函数的返回值使用。

也就是说：

int ret = write();

在汇编里如果指定ret使用eax的话，这行的赋值是不需要产生指令的（write()函数调用还是需要产生指令的）。

2，ebx，

如上面说的，它在16位时代叫bx，也是后来被扩展到32位的。

它的最初目的是作为基地址寄存器，b：base。

但实际上，eb也是个通用寄存器。

3，ecx，

它的最初目的是作为计数寄存器，c：count。

它可以作为通用寄存器，但在字符串传递、移位运算时，要作为计数器。

inta[10];

int b[10] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};

for(int i = 0; i < 10; i++)

a[i] = b[i];

这种代码，如果让人去写汇编的话，可以这么写：

leaedi, 80(ebp)

leaesi, 120(rbp)

movecx, 40

rep movsb

复制10个整数，一共40字节，目的地址放在edi、源地址放在esi、字节数放在ecx。

ecx最初就是在这种指令里计量字节数用的，它现在依然保持着这个功能。

在移位运算时，如果移位的位数不是常数，也要用ecx作为计数。

例如，a <<= i，a可以放在eax里，i就要放在ecx里。

因为就算是64位机上，合理的移位数字也不超过63位，所以实际使用的只有ecx的最低8位：它有个特别的名字，cl。

4，edx，

它最初的目的是作为除法的余数、或者乘法的高位。

整数除法，结果包括商和余数，商在eax里，余数在edx里。

整数乘法，结果的位数一般是乘数位数的2倍，所以低位在eax里，高位在edx里。

不是乘法除法这种场合的话，edx也可以作为通用寄存器。

在16位时代，它叫dx，跟其他的一样也是后来扩充到32位的。

除法，d：divide。

5，ebp，

凡是带p的寄存器，最初都是存储指针的寄存器。

ebp，栈底指针寄存器（栈帧寄存器），extendedbottompointer。

它属于特殊寄存器，在代码里的使用要特别小心，以防打乱了函数的调用链。

函数的汇编代码大多是这样的：

push ebp

mov ebp, esp

...

mov esp, ebp

pop ebp

ret

首先保存ebp到栈上，然后把栈顶esp保存到ebp里，作为新函数的栈底。

在整个新函数的调用期间，ebp最好不要有任何的修改，即它应该是只读的！

这样到了函数末尾，才可以用它回写esp，让函数正常返回。

6，esp，

它是栈顶寄存器，它存储的是函数栈的当前位置，即栈指针：extendedstackpointer。

esp和ebp互相配合，是CPU对函数栈的管理核心。

如果函数需要分配局部变量的话，就要把esp往低地址移动（减法），以扩大栈空间。

7，esi，edi，

这两个也是互相对应，一个做源地址寄存器，一个做目的地址寄存器，用于字符串的传递。

esi，extendedsourceindex，

edi，extendeddestinationindex。

它们两个在不是字符串传递的场合，也可以当作通用寄存器。

到了64位时代，这些寄存器全部从32位又扩展到了64位，名字改叫rax, rbx, rcx, ..., etc.

8，intel的寄存器，

0-7位（最低8位）以l结尾，al, bl, cl, dl.

8-15位以h结尾，ah, bh, ch, dh。

16位时代的寄存器只有16位，所以0-7位就是低位，lowbits；8-15位就是高位，highbits。

整个16位寄存器，以x结尾：ax, bx, cx, dx。

那4个特殊寄存器：bp, sp, si, di。

到了32位时代，又都把名字前面加上了e。

到了64位时代，又把名字前面的e改成了r。

所以，rax是64位寄存器，在汇编里：它的0-7位是al，8-15位是ah，0-15位是ax，0-31位是eax，0-63位是rax。

其他寄存器，也是这么起名字的。

所以，修改al是会影响ax, eax, rax的，但不会影响ah。

rax的位数分布

到了64位时代，intel又添加了8个通用寄存器，r8-r15。

这次因为寄存器太多了，intel就采取了ARM的叫法，直接按数字编号了。

intel搞了好几十年的CISC，最后还是学了RISC[捂脸]

9，最后说说内存，

内存，从软件的角度看，是个巨大的一维数组。

32位的进程有0-4G的虚拟内存空间，这个数组就是：uint8_tmemory[1 << 31];

64位的进程，虚拟内存空间可以有4Gx4G的空间：uint8_t memory[1 << 63];

内存的地址（索引）是个无符号整数，它可以做加减运算。

例如，知道数组a[10]的内存地址，要找它的元素a[1]的内存地址，那么加上4个字节就行。

CPU要读写内存，就必须知道内存的地址。

这个地址在CPU读写时，该放在哪里？

只能是寄存器里，这就是汇编语言里常说的寻址方式。

为什么CPU要有寻址方式？

因为它在读写内存的时候，必须得把内存地址以某个方式、放在某个位置。

A，如果内存地址直接放在寄存器里，那就是直接基地址寻址，也就是指针。

读：a = *p;

写：*p =a;

翻译成汇编，p在rdx，a在rax，就是：

读：mov rax, (rdx)

写：mov (rdx), rax

B，如果内存地址是某个已知位置的偏移量的话，就是基地址+偏移量寻址。

例如结构体里有个成员变量y，它离结构体的"首地址"有4个字节，那么：

p->y = 1 翻译成汇编就是mov 4(rdx), 1，

其中指针p放在rdx里，4是偏移量的字节数。

C，如果内存地址是数组的一个元素，因为数组元素的大小是一样的，用数组地址+元素个数*元素大小进行寻址最为方便，

这就是SIB寻址：scale, index, base。

base：数组的“首地址”。

index：元素的索引，即它是数组的第几个元素，从0开始计数。

scale：放大系数，对应着数组每个元素的大小，用C语言表示就是sizeof(array[0])。

例如：

给int型数组a的第i号元素，赋值为1，C代码就是 a[i] = 1，

如果a放在rbx里，i放在rcx里，那么汇编就是：mov (rbx, rcx, 4), 1，

其中，4是每个元素的大小。

D，

当然，要是给第i个int型元素的第2号字节赋值，还可以这么写：mov 2(rbx, rcx, 4), 1。

这种一般没有实际意义，因为它对应的C代码是：

a[i] &= ~0xff0000; // 保留其他3个字节，把第2号字节清零，

a[i] |= 0x010000; // 把清零之后的第2号字节设置为1。

要想判断出这2行代码的目的是给a[i]的第2号字节赋值为1，也太考验编译器了！

汇编的内存寻址方式，总的概括就是：

写内存：mov disp(base, index, scale), src

读内存：mov dst, disp(base, index, scale)

其中：

disp是相对于基地址的偏移量，

base是基地址，

index是位置索引，

scale是放大系数，

src是源操作数，它可以是寄存器，也可以是常数，但不能是另一个内存地址。

dst是目的操作数，它必须是寄存器。

表示内存地址的那4项(disp, base, index, scale)，可以酌情省略一部分[呲牙]

最后，在windows和Linux上的汇编有点不同：

1，汇编的源操作数和目的操作数的位置是反的，

2，而且Linux上的寄存器前要加%，

3，内存寻址，windows上用中括号[]，Linux上用小括号()，

我这种写法是把它们两个的风格混合的写法，属于伪代码。

你要是真写能用的汇编的话，最好查一下标准写法，免得汇编器报语法错误。

2、寄存器是硬件还是软件，什么是寄存器

与java相关的

Java编译器输出的指令流，基本上是一种基于栈的指令集架构，而与之相对的另外一套常用的指令集架构是基于寄存器的指令集。早期的android，即android4.4之前使用的JVM是Dalvik VM，就是基于寄存器架构的。基于栈的指令集主要的优点是可移植，寄存器由硬件直接提供，程序直接依赖这些硬件寄存器则不可避免地受到硬件的约束。栈架构指令集的主要缺点是执行速度相对来说会稍慢一些。所有主流物理机的指令集都是寄存器架构。

看示例找感觉

以上是一些结论，本文的重点是讨论上文中所提的寄存器，那寄存器是什么呢？其实这些计算机的原理知识之前上学的时候都学过，很遗憾当时听的也很头大，现在都还给老师了。

进入正题，先来看下维基百科的解释：

嗯，反正我看完是没什么感觉

再来看网上的一个例子：

“现代计算机，虽然性能很高，但是和上世纪7、8十年代的计算机比，其实结构都差不多。现在讲存储，一般讲有内存和外存，内存一般有寄存器(register)，缓存(cache)和内存(memory)，有些小型应用例如MCU没有cache，甚至没有memory——直接从flash/ROM到register。寄存器是CPU基础单元，CPU直接处理的内存就它了，好比医院，医生对面的椅子就是寄存器，要看病的病人(data)就坐这个椅子(register)；已经挂号的(data)进入诊室(cache)排队，其他的就在医院里（memory）。医生可以操作的就是面对面的病人，其他人要看病（如急病）也需先坐上这个位置，这是最快的。诊室里的座位相对于cache，一般cache都是sram存储器，速度很快，但一般cpu不会直接访问，而是要把数据挪到register后才可直接操作，而一般的内存为DRAM，速度比SRAM慢多了，而且通过总线访问，速度就更慢了。”

再看下图：计算机的存储层次（memory hierarchy）之中，寄存器（register）最快，内存其次，最慢的是硬盘。