4. CPU寄存器与指令系统

总目录

1. WinDbg概述
2. WinDbg主要功能
3. WinDbg程序调试示例
4. CPU寄存器及指令系统
5. CPU保护模式概述
6. 汇编语言不等于CPU指令
7. 用WinDbg观察托管程序架构
8. Windows PE/COFF文件格式简述
9. 让WinDbg自动打开DotNet Runtime源程序
10. WinDbg综合实战

前言

通过前面三篇文章的学习，同学们应该对使用WinDbg调试C#程序有了基本的了解。

不过，在我的写作过程中，有一种感觉开始变得越来越强烈：如果想说清楚如何使用WinDbg，必须先介绍清楚CPU的基础知识，因为只有了解了CPU，才能懂得寄存器、指令系统和汇编。

因此，我打算从本篇开始，介绍一下Intel CPU基础知识。

CPU知识

Intel公司公布了其CPU系列的标准手册，最有用的就是《Intel® 64 and IA-32 Architectures
Software Developer’s Manual》，这里给的链接是4册合集（以下简称Intel手册），总计有5057页，而且只有英文。

啃完这么大部头手册虽并非不可能，但起码性价比不高。不过呢，这套手册实在写得太好了，其语言简直可以与最优秀的教科书相媲美，用词及语法都相当严谨，凡事都说得由浅入深，有条有理。下载一套手册备用，需要时随手翻翻，要比到网上胡乱找文章看有价值得多。

关键点还在于，对CPU需要了解到什么程度？我的建议是：浅尝辄止！如果非要给一个具体指标，从小白开始，学20小时足够了。不过呢，我还没有找到一套广度和深度都刚刚好的教材或教学视频。一般的汇编语言书籍对CPU的介绍太浅层次了，又对汇编指令介绍得太多了。而一般计算机体系结构方面的书呢又太细节了，初学者根本无法将知识点串起来。索性我就斗胆先把如何学习CPU知识啰嗦一下吧。

CPU寄存器与CPU工作模式

了解CPU的关键在于了解CPU的内部寄存器。
CPU访问内部寄存器的速度要比CPU访问内存条的速度快很多，大致你可以认为CPU读写一次寄存器的时间只有读写一次内存时间的几万分之一。

在Intel手册中，Intel把其各种寄存器的集合称为执行环境（Execution Environment），这种称谓其实是更科学严谨的，因为一条指令的执行通常和不同寄存器的当前状态息息相关，最简单的就是条件转移指令，该指令执行时，可能会发生跳转也可能不会跳转，在高级语言环境，我们是使用if语句，通过if后面的表达式结果到底是true还是false来判断的，而实际在CPU层面，是条件转移指令是否跳转完全是由指令执行时FLAG寄存器的值来决定的，因此Flag寄存器就是条件转移指令的执行环境因素之一。

同一个CPU，其实可以通过程序来修改其寄存器的数据，而有些寄存器又是控制CPU工作状态的。比如当前的CPU已经都是64位硬件结构了，但通过修改其不同控制寄存器的组合，可以使CPU工作于保护模式、IA-32e模式、实地址模式或系统管理模式（SMM）。IA-32e模式又可细分位IA-32兼容模式和64位模式；而不同的模式下，程序可以使用的寄存器也是不同的。举个最简单的例子：通过指令使CPU中CR0控制寄存器的PG位置0，会引发CPU从64位模式切换到IA-32模式（实际切换要比这复杂得多，但我们没必要了解更多细节）。一旦切换成功，以前64位模式下