学习《深入理解计算机系统》 3.3 关于CPU寄存器和栈

3.3.1 关于寄存器

CPU和寄存器

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU从逻辑上可以划分成3个模块，分别是控制单元、运算单元和存储单元，这三部分由CPU内部总线连接起来。CPU的根本任务就是执行指令，对计算机来说最终都是一串由“0”和“1”组成的序列。

（CPU）

（CPU结构）

一个x86-64的中央处理单元(CPU)包含一组16个存储64位值的通用目的寄存器。这些寄存器用来存储整数数据和指针。图中显示了这16个寄存器。它们的名字都以%r开头，不过后面还跟着一些不同的命名规则的名字，这是由于指令集历史演化造成的。最初的8086中有8个16位的寄存器，即图中的%ax到%bp。每个寄存器都有特殊的用途，它们的名字就反映了这些不同的用途。扩展到IA32架构时，这些寄存器也扩展成32 位寄存器，标号从%eax到%ebp。扩展到x86-64后，原来的8个寄存器扩展成64位，标号从%rax到%rbp。除此之外，还增加了8个新的寄存器，它们的标号是按照新的命名规则制定的:从%r8到%r15。

如图3-2中嵌套的方框标明的，指令可以对这16个寄存器的低位字节中存放的不同大小的数据进行操作。字节级操作可以访问最低的字节，16位操作可以访问最低的2个字节，32 位操作可以访问最低的4个字节，面64位操作可以访同整个寄存器。在后面的章节中，我们会展现很多指令，复制和生成1字节、2字节、4字节和8字节值。当这些指令以寄存器作为目标时，对于生成小于8字节结果的指令，寄存器中剩下的字节会怎么样，对此有两条规则:生成1字节和2字节数字的指令会保持剩下的字节不变；生成4字节数字的指令会把高位4个字节置为0.后面这条规则是作为从IA32到x86-64的扩展的一部分面采用的。

就像图32右边的解班说明的那样，在常见的程序里不同的寄存器扮演不同的角色。其中最特别的是栈指针%rsp，用来指明运行时校的结束位置。有些程序会明确地读写这个寄存器。另外15个寄存器的用法更灵话。少量指令会使用某些特定的寄存器。

 3.3.2 操作指示符

大多数指令有一个或多个操作数(operand)，指示出执行一个操作中要便用的源数据值，以及放置结果的目的位置。x86-64 支持多种操作数格式(参见图3-3)。源数据值可以以常数形式给出，或是从寄存器或内存中读出。结果可以存放在寄存器或内存中。因此，各种不同的操作数的可能性被分为三种类型。

第一种类型是立即数(immediate)，用来表示常数值。在ATT格式的汇编代码中，立即数的书写方式是‘$’后面跟一个用标准C表示法表示的整数，比如，$-577 或$0x1F。不同的指令允许的立即数值范围不同，汇编器会自动选择最紧凑的方式进行数值编码。

第二种类型是寄存器(register)，它表示某个寄存器的内容，16 个寄存器的低位1字节、2字节、4字节或8字节中的一个作为操作数，这些字节数分别对应于8位、16位、32 位或64位。

第三类操作数是内存引用，它会根据计算出来的地址(通常称为有效地址)访问某个内
存位置。因为将内存看成一个很大的字节数组，我们用符号Mb[Addr]表示对存储在内存
中从地址Addr开始的b个字节值的引用。为了简便，我们通常省去下标b。

3.3.3 关于栈

计算机栈的概念最早在1946年提出‌。

栈是操作系统在建立某个进程或线程时为该线程建立的存储区域，该区域具有先进后出的特性，并且在编译时可以指定需要的栈的大小‌。栈是由系统自动分配和维护的，存放函数的参数值、局部变量的值等，存取速度比堆要快，仅次于寄存器‌。

使用栈的有利于简化内存管理、支持递归调用、实现撤销操作、优化编译器设计

栈在计算机科学中有广泛的应用，例如：

• ‌函数调用‌：在函数调用过程中，局部变量和返回地址等信息被压入栈中，以便在函数返回时使用‌。
• ‌递归‌：在递归过程中，每次递归调用都会将相关信息压入栈中，直到达到递归的基案例，然后开始逐层返回‌。

计算机科学中的栈是一种特殊的线性表，其定义如下‌：

栈（Stack）是一种遵循后进先出（LIFO, Last In, First Out）原则的数据结构。它只允许在表的一端（称为栈顶）进行插入（push）和删除（pop）操作。在栈中，最后添加的元素将是第一个被移除的元素‌12。

‌栈的基本操作包括‌：

• ‌进栈（Push）‌：将一个元素添加到栈顶。
• ‌出栈（Pop）‌：移除栈顶的元素。

 栈的大小通常是固定的‌。在大多数操作系统中，栈的大小是在编译时确定的，并且一旦确定后不会改变。例如，在Windows系统中，栈的大小通常为2M，而在Linux系统中，栈的大小通常为10M。‌

栈的固定大小意味着当函数执行完成后，对应的执行上下文会被销毁，栈会自动释放相关的内存。这种设计使得栈的内存分配由系统自动管理，用户无需关心栈的扩展问题。

需要注意的是，虽然栈的大小在编译时确定，但进程的栈大小可以在运行时进行调整，但这通常涉及到操作系统的权限和资源管理策略。

栈存储在内存的高地址部分‌。在大多数系统中，栈位于内存的高地址部分，并向低地址方向增长。