IA-32（32 位 x86）常见寄存器

本文讨论的是 32 位 x86 / IA-32，不是所有 32 位 CPU 都具有这些寄存器。

1. 8 个主要通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP
2. 6 个段寄存器：CS、DS、ES、SS、FS、GS
3. 指令指针寄存器：EIP
4. 标志寄存器：EFLAGS

1、数据寄存器

数据寄存器主要用来保存操作数和运算结果等信息，从而节省读取操作数所需占用总线和访问存储器的时间。

• EAX、EBX、ECX、EDX 常被单独称为数据寄存器；IA-32 实际共有 8 个主要通用寄存器，还包括 ESI、EDI、EBP、ESP。

• 对低16位数据的存取，不会影响高16位的数据。 这些低16位寄存器分别命名为：AX、BX、CX和DX，它和先前的CPU中的寄存器相一致。

• 4个16位寄存器又可分割成8个独立的8位寄存器(AX：AH-AL、BX：BH-BL、CX：CH-CL、DX：DH-DL)，每个寄存器都有自己的名称，可独立存取。 程序员可利用数据寄存器的这种“可分可合”的特性，灵活地处理字/字节的信息。

• 寄存器EAX通常称为累加器(Accumulator)，用累加器进行的操作可能需要更少时间。可用于乘、 除、输入/输出等操作，使用频率很高；

• 寄存器EBX称为基地址寄存器(Base Register)。它可作为存储器指针来使用；

• 寄存器ECX称为计数寄存器(Count Register)。 在循环和字符串操作时，要用它来控制循环次数；在位操作中，当移多位时，要用CL来指明移位的位数；

• 寄存器EDX称为数据寄存器(Data Register)。在进行乘、除运算时，它可作为默认的操作数参与运算，也可用于存放I/O的端口地址。

在 16 位 x86 的寻址方式中，BX 可以作为基址寄存器，并可与 SI、DI 等组合寻址；AX、CX、DX 则不能直接充当 16 位有效地址中的基址/变址寄存器。

在32位CPU中，其32位寄存器EAX、EBX、ECX和EDX不仅可传送数据、暂存数据保存算术逻辑运算结果， 而且也可作为指针寄存器，所以，这些32位寄存器更具有通用性。

2、变址寄存器

32位CPU有2个32位通用寄存器ESI和EDI。

其低16位对应先前CPU中的SI和DI，对低16位数据的存取，不影响高16位的数据。

寄存器ESI、EDI、SI和DI称为变址寄存器(Index Register)，它们主要用于存放存储单元在段内的偏移量， 用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。

变址寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

它们可作一般的存储器指针使用。在字符串操作指令的执行过程中，对它们有特定的要求，而且还具有特殊的功能。

3、指针寄存器

其低16位对应先前CPU中的BP和SP，对低16位数据的存取，不影响高16位的数据。

32位CPU有2个32位通用寄存器EBP和ESP。

它们常用于栈帧和堆栈管理：

• EBP 常作为基指针（Base Pointer）保存栈帧基址，便于访问参数和局部变量；编译器也可以把它当普通通用寄存器使用。
• ESP 是堆栈指针（Stack Pointer），push、pop、call、ret 等指令会隐式使用它；它也可以参与普通寻址，并不是“只能访问栈顶”。

寄存器EBP、ESP、BP和SP称为指针寄存器(Pointer Register)，主要用于存放堆栈内存储单元的偏移量， 用它们可实现多种存储器操作数的寻址方式，为以不同的地址形式访问存储单元提供方便。

指针寄存器不可分割成8位寄存器。作为通用寄存器，也可存储算术逻辑运算的操作数和运算结果。

4、段寄存器

x86 的段寄存器用于内存分段。实模式下可以用“段值:偏移量”计算线性/物理地址；保护模式下段寄存器保存的是选择子，通过描述符取得段信息，不能再直接把段寄存器数值当作物理地址的一部分。

CPU内部的段寄存器：

1. CS——代码段寄存器（Code Segment Register）；
2. DS——数据段寄存器（Data Segment Register）；
3. ES——附加段寄存器（Extra Segment Register）；
4. SS——堆栈段寄存器（Stack Segment Register）；
5. FS——附加段寄存器；
6. GS——附加段寄存器。

• 早期 8086 / 80286 常见的是 CS、DS、ES、SS 四个段寄存器；
• 80386 引入了 FS、GS，因此 IA-32 中共有六个段寄存器。

IA-32 中常见的是实模式和保护模式；虚拟 8086 模式属于保护模式下的特殊运行方式。不同模式下段寄存器的解释不同，简单来说：

• 实方式： 前4个段寄存器CS、DS、ES和SS与先前CPU中的所对应的段寄存器的含义完全一致，内存单元的逻辑地址仍为“段值：偏移量”的形式。为访问某内存段内的数据，必须使用该段寄存器和存储单元的偏移量。

• 保护方式： 在此方式下，情况要复杂得多，装入段寄存器的不再是段值，而是称为“选择子”(Selector)的某个值。

5、指令指针寄存器

32位CPU把指令指针扩展到32位，并记作EIP，EIP的低16位与先前CPU中的IP作用相同。

指令指针EIP、IP(Instruction Pointer)是存放下次将要执行的指令在代码段的偏移量。

在具有预取指令功能的系统中，下次要执行的指令通常已被预取到指令队列中，除非发生转移情况。

所以，在理解它们的功能时，不考虑存在指令队列的情况。

6、标志寄存器

一、运算结果标志位

1、进位标志CF(Carry Flag)

进位标志CF主要用来反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生了一个进位或借位，那么，其值为1，否则其值为0。

使用该标志位的情况有：多字(字节)数的加减运算，无符号数的大小比较运算，移位操作，字(字节)之间移位，专门改变CF值的指令等。

2、奇偶标志PF(Parity Flag)

奇偶标志 PF 反映运算结果最低 8 位中“1”的个数是否为偶数；为偶数时 PF=1，否则 PF=0。

利用PF可进行奇偶校验检查，或产生奇偶校验位。在数据传送过程中，为了提供传送的可靠性，如果采用奇偶校验的方法，就可使用该标志位。

3、辅助进位标志AF(Auxiliary Carry Flag)

辅助进位标志 AF 主要反映算术运算中位 3 与位 4 之间是否发生进位或借位，也就是低 4 位向高半字节的进位/借位。

它主要用于 BCD 调整等场景。

对以上6个运算结果标志位，在一般编程情况下，标志位CF、ZF、SF和OF的使用频率较高，而标志位PF和AF的使用频率较低。

4、零标志ZF(Zero Flag)

零标志ZF用来反映运算结果是否为0。如果运算结果为0，则其值为1，否则其值为0。在判断运算结果是否为0时，可使用此标志位。

5、符号标志SF(Sign Flag)

符号标志 SF 反映运算结果的最高位。按二进制补码解释有符号数时，SF=1 表示结果最高位为 1，通常对应负数；SF=0 表示最高位为 0，包括零和正数。

6、溢出标志OF(Overflow Flag)

溢出标志 OF 用于反映有符号数加减运算所得结果是否溢出。如果结果超过当前位宽的有符号数表示范围，则 OF=1，否则 OF=0。

“溢出”和“进位”是两个不同含义的概念，不要混淆。

二、状态控制标志位

状态控制标志位是用来控制CPU操作的，它们要通过专门的指令才能使之发生改变。

1、追踪标志TF(Trap Flag)

当追踪标志TF被置为1时，CPU进入单步执行方式，即每执行一条指令，产生一个单步中断请求。这种方式主要用于程序的调试。 指令系统中没有专门的指令来改变标志位TF的值，但程序员可用其它办法来改变其值。

2、中断允许标志IF(Interrupt-enable Flag)

中断允许标志IF是用来决定CPU是否响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求。 但不管该标志为何值，CPU都必须响应CPU外部的不可屏蔽中断所发出的中断请求，以及CPU内部产生的中断请求。 具体规定如下：

1. 当IF=1时，CPU可以响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求；
2. 当IF=0时，CPU不响应CPU外部的可屏蔽中断发出的中断请求。 CPU的指令系统中也有专门的指令来改变标志位IF的值。

3、方向标志DF(Direction Flag)

方向标志DF用来决定在串操作指令执行时有关指针寄存器发生调整的方向。 在微机的指令系统中，还提供了专门的指令来改变标志位DF的值。

三、32位标志寄存器增加的标志位

1、I/O特权标志IOPL(I/O Privilege Level)

I/O特权标志用两位二进制位来表示，也称为I/O特权级字段。该字段指定了要求执行I/O指令的特权级。 如果当前的特权级别在数值上小于等于IOPL的值，那么，该I/O指令可执行，否则将发生一个保护异常。

2、嵌套任务标志NT(Nested Task)

嵌套任务标志NT用来控制中断返回指令IRET的执行。具体规定如下：

1. 当NT=0，用堆栈中保存的值恢复EFLAGS、CS和EIP，执行常规的中断返回操作；
2. 当NT=1，通过任务转换实现中断返回。

3、重启动标志RF(Restart Flag)

重启动标志RF用来控制是否接受调试故障。规定：RF=0时，表示“接受”调试故障，否则拒绝之。 在成功执行完一条指令后，处理机把RF置为0，当接受到一个非调试故障时，处理机就把它置为1。

4、虚拟8086方式标志VM(Virtual 8086 Mode)

如果该标志的值为1，则表示处理机处于虚拟的8086方式下的工作状态，否则，处理机处于一般保护方式下的工作状态。