【知识堂】CPU 标志位详解：CF、SF、ZF、OF 及其他重要标志

在计算机系统中，CPU 在执行算术运算和逻辑运算时，会根据运算结果设置一些状态标志（Flags），这些标志存储在 EFLAGS 寄存器中。标志位在程序控制、调试和异常处理中起着至关重要的作用。本文将详细介绍四个常见的标志位（CF、SF、ZF、OF），并补充其他重要标志的作用和使用场景。

---

一、CF（进位标志，Carry Flag）

CF（进位标志）用于指示无符号数运算时是否发生了进位或借位。

• 加法中：

  • 如果运算结果超出了当前位宽（如 8 位、16 位、32 位等）所能表示的范围，则 CF = 1；
  • 如果未超出，CF = 0。

• 减法中：

  • 如果执行减法时发生了借位（即被减数小于减数），则 CF = 1；
  • 否则，CF = 0。

• 示例：
  以 8 位无符号加法为例：

  255 (1111 1111) + 1 (0000 0001) = 256 (1 0000 0000)

  结果 256 需要 9 位来表示，超出了 8 位的范围，CF = 1。

---

二、SF（符号标志，Sign Flag）

SF（符号标志）用于指示运算结果的符号，它的值等于运算结果的最高位（MSB，Most Significant Bit）。

• 结果的最高位为 1（负数），则 SF = 1；
• 结果的最高位为 0（正数或零），则 SF = 0。

示例：
计算 41 + (-78)，补码表示如下：

41 → 00101001 -78 → 10110010 ----------------- 结果 → 11011011（-37，SF = 1）

最高位是 1，表明结果是负数，因此 SF = 1。

---

三、ZF（零标志，Zero Flag）

ZF（零标志）用于指示运算结果是否为零。

• 结果为 0，则 ZF = 1；
• 结果不为 0，则 ZF = 0。

示例：

00001111 (15) - 00001111 (15) = 00000000（ZF = 1）

如果结果是 0，则 ZF 被置 1。

---

四、OF（溢出标志，Overflow Flag）

OF（溢出标志）用于检测 有符号数 运算时是否发生了溢出。

溢出判断原则：

• 加法：当两个相同符号的数相加后，结果的符号发生变化，则溢出（OF = 1）。
• 减法：当正数减去负数（或负数减去正数）时，结果超出了补码的表示范围，则溢出（OF = 1）。

示例：

127 (01111111) + 1 (00000001) = -128 (10000000) → OF = 1

原本应是 128，但 8 位补码最大只能表示 127，因此发生溢出。

---

五、其他重要标志位

除了 CF、SF、ZF 和 OF 之外，EFLAGS 寄存器还包含多个其他标志位，以下是常见的几个：

1. PF（奇偶标志，Parity Flag）

• 低 8 位结果中 1 的个数是 偶数，PF = 1；
• 低 8 位结果中 1 的个数是 奇数，PF = 0。
• 用途： 用于奇偶校验，但现代程序中较少使用。

2. AF（辅助进位标志，Auxiliary Carry Flag）

• 主要用于 BCD（十进制编码）运算。
• 低 4 位（半字节）发生进位或借位时，AF = 1，否则 AF = 0。
• 用途： 主要在十进制数加法（如 DAA 指令）中使用。

3. TF（陷阱标志，Trap Flag）

• 当 TF = 1 时，CPU 每执行一条指令就会触发一次调试中断。
• 用途： 主要用于 单步调试。

4. IF（中断标志，Interrupt Flag）

• IF = 1 时，CPU 允许外部 可屏蔽中断（IRQ） 发生。
• IF = 0 时，CPU 屏蔽中断，用于关键代码执行期间。

5. DF（方向标志，Direction Flag）

• 控制字符串操作的方向：
  • DF = 0：从低地址到高地址（自增模式）；
  • DF = 1：从高地址到低地址（自减模式）。
• 用途： 在 MOVS、STOS、LODS 等字符串指令中决定数据的存取顺序。

6. IOPL（I/O 特权级，I/O Privilege Level）

• 控制程序对 I/O 端口的访问权限（2 位）。

7. NT（嵌套任务标志，Nested Task）

• 用于任务切换时判断是否处于嵌套任务模式。

8. RF（恢复标志，Resume Flag）

• 主要用于调试异常处理。

9. VM（虚拟 8086 模式标志，Virtual-8086 Mode）

• 当 VM = 1，表示 CPU 运行在 8086 兼容模式。

10. AC（对齐检查标志，Alignment Check）

• 用于检测数据访问是否对齐。

11. ID（ID 标志，Identification Flag）

• 判断 CPU 是否支持 CPUID 指令。

---

六、总结

标志位	名称	作用
CF	进位标志	记录无符号运算的进位或借位
SF	符号标志	记录运算结果的符号（MSB）
ZF	零标志	结果是否为零
OF	溢出标志	记录有符号运算的溢出情况
PF	奇偶标志	低 8 位 1 的个数是否为偶数
AF	辅助进位	低 4 位进位或借位
TF	陷阱标志	控制单步调试
IF	中断标志	控制是否允许外部中断
DF	方向标志	控制字符串操作方向
IOPL	I/O 特权级	控制 I/O 访问权限
NT	嵌套任务标志	任务切换控制
RF	恢复标志	调试相关
VM	虚拟 8086 模式	是否进入 8086 模式
AC	对齐检查	检测内存访问对齐
ID	ID 标志	检测 CPU 支持情况

通过这些标志位，CPU 能够有效管理和控制算术运算、数据流向、异常处理和调试操作。理解这些标志对于学习底层计算机架构、汇编语言以及系统级编程至关重要。