内存管理寄存器

处理器提供了4个内存管理寄存器(GDTR、LDTR、IDTR和TR),用于指定分段内存管理所使用的系统表的基地址。处理器为这些寄存器加载和保存提供了特定的指令。
 
 
GDTR、LDTR、IDRTR和TR都是段基址寄存器,这些段中包含分段机制的重要信息表,GDTR、IDTR和LDTR用于寻址存放段描述符的段。TR用于寻址一个特殊任务状态段TSS(Task State Segment)。TSS段中包含当前窒息感任务的重要信息。
1.全局描述符表寄存器GDTR
GDTR寄存器中用于存放全局描述符表GDT的32位线性基地址和16位表长度值。基地址指定GDT表中字节0在线性地址空间中的地址,表长度指明GDT表的字节长度值。指令LGDT和SGDT用于加载和保存GDTR寄存器的内容。在机器刚加电或处理器复位后,默认基地址设置为0,而长度被设置成0XFFFF,在保护模式初始化过程中必须给GDTR加载一个新值。
2.中断描述符表寄存器IDTR
与GDTR的作用类似,IDTR寄存器用于存放中断描述符表IDT的32位线性基地址和16位表长度值,指令LIDT和SIDT分别用于加载和保存IDTR寄存器的内容。在机器刚加电或者处理复位后,基地址被默认设置为0,而长度值设置为0XFFFF。
3.局部描述符表寄存器LDTR
LDTR寄存器中用于存放局部描述符LDT的32位线性基地址、16位段限长和描述符属性值。LLDT和SLDT分别用于加载和保存LDTR寄存器的段描述符部分。包含LDT表的段必须在GDT表中有一个段描述符项,当使用LLDT指令把含有LDT表段的选择符加载进LDTR时,LDT段描述符的段基地址、段限长度以及描述符属性会被自动加载到LDTR中。当进行任务切换时,处理器会把新任务的段选择符合段描述符自动加载近LDTR中。在机器刚加电或者处理复位后,基地址被默认设置为0,而长度值设置为0XFFFF。
4.任务寄存器TR
TR寄存器用于存放当前任务TSS段的16位段选择符、32位基地址、16位段长度和描述符属性值。它引用GDT表中一个TSS类型的描述符。指令LTR和STR分别用于加载和保存TR寄存器的段选择符部分。当使用LTR指令把选择符加载近任务寄存器时,TSS描述符中的段基地址、段限长度以及描述符属性会被自动的加载到任务寄存器中。当执行任务切换时,处理器会把新任务TSS的段选择符和段描述符自动加载到TR寄存器中。
 

其中有一个寄存器叫做EIP(Instruction Pointer,指令寄存器),程序的执行就是靠EIP的不断增加来完成的(跳转的话,EIP就变成了跳转到的地址)。在Windows系统下,进程并不拥有EIP,那么只有进程,一个程序就无法运行。而拥有这些寄存器的是线程,所以说进程是静态的。一个CPU下只有一个EIP,也就是说同一时刻只能有一个线程可以运行,那么所说的多线程又是什么呢?事实上同一时刻也只有一个线程在运行,每个线程运行一段时间后,它会把它拥有的EIP等寄存器让出来,其它线程占有这些寄存器后,继续运行。 




为了实现不同的线程之间的转换,CPU要求操作系统维护一份固定格式的数据(该数据存在于内存中),这份数据叫做Task-State Segment(TSS),在这份数据结构里,维护着线程的EAX,EIP,DS(Data Segment)等寄存器的内容。 




EAX—EDX可称为数据寄存器,你除了直接访问外,还可分别对其高十六位和低十六位进行访问。它们的低十六位就是把它们前边儿的E去掉,即EAX的低十六位就是AX。而且它们的低十六位又可以分别进行八位访问,也就是说,AX还可以再进行分解,即AX还可分为AH(高八位)AL(低八位)。 

在32位程序中,32位以内的函数返回值都通过eax寄存器来传递——这是__stdcall和__ccall的调用约定形成的结果。Win32API函数(wsprintf使用__cdecl调用规则,其余所有API函数都是用__stdcall调用规则)默认是是用eax返回值。高级语言特性+编译器,通常将函数的返回值放在EAX中(单一返回值直接放EAX,如果多个返回值,则EAX中存放指针)。

 00000000 00000000 00000000 00000000
│               EAX                    │
                  │       AX           │
                  │   AH   │    AL     │

 

 

而CPU还有一个寄存器叫做Task Register(TR),该寄存器指向当前正在执行的线程的TSS。而线程切换事实上就是TR指向不同的TSS,这样CPU就会自动保存当前的EAX,EBX的信息到相应的TSS中,并将新的线程的信息加载到寄存器。


32位CPU的寄存器包括

4个数据寄存器 : 

    EAX  (Accumulator) 

    EBX  (Base Register) 

    ECX  (Count Register)  

    EDX  (Data Register)

2个变址和指针寄存器(Index Register) :

    ESI   (Source Index Register)

    EDI   (Destination Index Register)

1个指令指针寄存器 :

    EIP    (Instruction Pointer)

2个指针寄存器(Pointer Register) :

    ESP   (Stack Pointer Register) 

    EBP   (Base Pointer Register)

6个段寄存器(Segment Register) 

    CS    (Code Segment Register)

    DS    (Data Segment Register)

    SS    (Stack Segment Register)

    ES    (Extra Segment Register)

    FS    (Extra Segment Register)

    GS    (Extra Segment Register)

1个标志寄存器 :

    EFlags 


<think>好的,我现在需要回答用户关于内存和寄存器区别的问题。首先,我得回顾一下用户提供的引用内容,看看有没有相关的信息可以利用。 根据引用[3],存储器(内存)存储程序代码、数据、堆栈和堆等,而引用[2]和[4]提到寄存器用于存储数据、地址和处理器状态。用户还提到了虚拟内存,引用[1]说明虚拟内存是磁盘的一部分作为内存扩展,但运行中的程序部分仍需在物理内存中,需要置换操作。此外,引用[5]中的Java内存模型提到了主内存和工作内存的区别,这可能与寄存器和内存的关系类似,但需要确认是否相关。 接下来,我需要整理内存和寄存器的区别,包括存储内容、访问速度、容量、物理位置、用途等方面。需要确保使用正确的LaTeX格式,比如变量用$...$,独立公式用$$...$$,并且生成相关问题。 首先,内存和寄存器的定义。内存是主存(RAM),用于存储运行中的程序和数据,而寄存器是CPU内部的小型存储单元,用于临时存放指令和数据。访问速度方面,寄存器比内存快很多,因为寄存器直接集成在CPU中,而内存需要通过总线访问。容量上,寄存器数量少,通常以字节或字为单位,而内存容量大,以GB计。物理位置方面,寄存器在CPU内部,内存是独立硬件。用途上,寄存器用于指令执行和运算,内存用于程序运行时的数据存储。 可能还需要提到虚拟内存(引用[1])和不同架构的寄存器差异(引用[2]、[4])。另外,工作内存和主内存的概念(引用[5])可能与寄存器缓存数据有关联,但需要明确区分。 需要检查是否有遗漏点,比如内存管理中的置换操作,寄存器在指令执行中的具体作用(如IP寄存器,引用[4]),以及不同层次存储结构的关系。确保每个对比点都有引用支持,并且正确标注引用标识。 最后,生成相关问题时要围绕主题,比如访问机制、性能影响、设计考虑、优化方法等。问题要具体,能够引导进一步学习。</think>### 内存与寄存器的区别及用途 #### 1. **物理位置与结构** - **寄存器**:直接集成在CPU内部,是处理器核心组件的一部分,数量有限且容量极小(例如ARMv7架构有16个通用寄存器[^2],x86架构的寄存器如IP、SI、DI等[^4])。 - **内存**:位于主板上的独立硬件模块(RAM),通过总线与CPU连接,容量通常为GB级别[^3]。 #### 2. **访问速度** - **寄存器**:访问速度最快(通常在1个CPU时钟周期内完成),因为数据直接在CPU内部处理[^2]。 - **内存**:访问速度较慢(通常需要几十到几百个时钟周期),需通过总线传输数据[^3]。 #### 3. **存储内容** - **寄存器**:存储**当前执行的指令、操作数、地址及处理器状态**(如ARM的CPSR寄存器)。例如IP寄存器指向下一条指令地址[^4]。 - **内存**:存储**程序代码、全局数据、堆栈及动态分配的数据**(如Java主内存中的变量副本[^5])[^3]。 #### 4. **容量与成本** - **寄存器**:容量极小(如ARM32位架构中每个寄存器为32位),但成本高,因需与CPU高速协同[^2]。 - **内存**:容量大(现代计算机通常为8GB以上),成本相对较低[^3]。 #### 5. **用途与操作** - **寄存器**:用于**算术逻辑运算、指令寻址、控制流程**(如SI/DI寄存器处理字符串操作[^4])。 - **内存**:用于**程序运行时的长期数据存储和共享**,支持虚拟内存机制(通过磁盘扩展物理内存空间[^1])。 #### 6. **生命周期与可见性** - **寄存器**:数据仅在指令执行期间有效,对程序员透明(需通过汇编或编译器优化控制)[^2][^4]。 - **内存**:数据在程序运行期间持久存在,程序员需显式管理(如Java工作内存与主内存的同步[^5])。 --- ### 对比公式 - **寄存器访问延迟**:$$ t_{\text{reg}} \approx 1 \text{ cycle} $$ - **内存访问延迟**:$$ t_{\text{mem}} \approx 100 \text{ cycles} $$ --- ### 性能优化示例 在循环中频繁使用的变量应优先存储于寄存器(如C语言的`register`关键字),减少内存访问开销。例如: ```c register int i; // 建议编译器将i存入寄存器 for(i=0; i<1000; i++) { ... } ``` ---
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