出品丨自主可控新鲜事
本文内容来源于编程技术宇宙，作者轩辕之风O
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自年冯·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
什么是寄存器？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
通用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。
raxrbxrcxrdxrsprbprsirdi
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。
指令寄存器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。
段寄存器段寄存器与CPU的内存寻址技术紧密相关。
早在16位的CPU时代，内存资源宝贵，CPU使用分段式内存寻址技术：
16位的寄存器能寻址的范围是64KB，通过引入段的概念，将内存空间划分为不同的区域：分段，通过段基址+段内偏移段方式来寻址。
这样一来，段的基地址保存在哪里呢？CPU专门设置了几个段寄存器用来保存段的基地址，这就是段寄存器段的由来。
段寄存器也是16位的。
段寄存器有下面6个，前面4个是早期16位模式就引入了，到了32位时代，又新增了fs和gs两个段寄存器。
cs:代码段
ds:数据段
ss:栈段
es:扩展段
fs:数据段
gs:数据段
段寄存器里面存储的内容与CPU当前工作的内存寻址模式紧密相关。
当CPU处于16位实地址模式下时，段寄存器存储段的基地址，寻址时，将段寄存器内容左移4位（乘以16）得到段基地址+段内偏移得到最终的地址。
当CPU工作于保护模式下，段寄存器存储的内容不再是段基址了，此时的段寄存器中存放的是段选择子，用来指示当前这个段寄存器“指向”的是哪个分段。
注意我这里的指向打了引号，段寄存器中存储的并不是内存段的直接地址，而是段选择子，它的结构如下：
16个bit长度的段寄存器内容划分了三个字段：
PRL:特权请求级，就是我们常说的ring0-ring3四个特权级。
TI:0表示用的是全局描述符表GDT，1表示使用的是局部描述符表LDT。
Index:这是一个表格中表项的索引值，这个表格叫内存描述符表，它的每一个表项都描述了一个内存分段。
这里提到了两个表，全局描述符表GDT和局部描述符表LDT，关于这两个表的介绍，下面介绍描述符寄存器时再详述，这里只需要知道，这是CPU支持分段式内存管理需要的表格，放在内存中，表格中的每一项都是一个描述符，记录了一个内存分段的信息。
保护模式下的段寄存器和段描述符到最后的内存分段，通过下图的方式联系在一起：
通用寄存器、段寄存器、标志寄存器、指令寄存器，这四组寄存器共同构成了一个基本的指令执行环境，一个线程的上下文也基本上就是这些寄存器，在执行线程切换的时候，就是修改它们的内容。
控制寄存器控制寄存器是CPU中一组相当重要的寄存器，我们知道eflags寄存器记录了当前运行线程的一系列关键信息。
那CPU运行过程中自身的一些关键信息保存在哪里呢？答案是控制寄存器！
32位CPU总共有cr0-cr4共5个控制寄存器，64位增加了cr8。他们各自有不同的功能，但都存储了CPU工作时的重要信息：
cr0:存储了CPU控制标记和工作状态
cr1:保留未使用
cr2:页错误出现时保存导致出错的地址
cr3:存储了当前进程的虚拟地址空间的重要信息——页目录地址
cr4:也存储了CPU工作相关以及当前人任务的一些信息
cr8:64位新增扩展使用
其中，CR0尤其重要，它包含了太多重要的CPU信息，值得单独