汇编基础（二）CPU寄存器

引言

概念

CPU是什么？
CPU是中央处理器，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。
寄存器是什么？
寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。

寄存器总览

上篇文章我们提到过，CPU有控制器、运算器还有寄存器，其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储。

CPU的运算速度是非常快的，为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域，并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中，运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存器。

对于arm64系的CPU来说， 如果寄存器以x开头则表明的是一个64位的寄存器，如果以w开头则表明是一个32位的寄存器，在系统中没有提供16位和8位的寄存器供访问和使用。其中32位的寄存器是64位寄存器的低32位部分并不是独立存在的，这是为了兼容32位系统。

高速缓存

iPhoneX上搭载的ARM处理器A11它的1级缓存的容量是64KB，2级缓存的容量8M.

CPU每执行一条指令前都需要从内存中将指令读取到CPU内并执行。而寄存器的运行速度相比内存读写要快很多,为了性能,CPU还集成了一个高速缓存存储区域.当程序在运行时，先将要执行的指令代码以及数据复制到高速缓存中去(由操作系统完成).CPU直接从高速缓存依次读取指令来执行.

为什么？

• 原因：CPU的读写速度要远远大于内存的读写速度，CPU的读取速度再快，从内存中读取的速度跟不上，那么还是无法提高效率
• 过程：CPU运行指向哪里指向的地址，那么在高速缓存当中那么内存地址还一样吗？
  • 是一样的，因为高速缓存的内容中的地址就是跟内存地址一一对应，也就是说它们是一个映射的关系，高速缓存是没有独立的地址的
  • 当CPU指向的那个地址，首先在高速中去找地址，如果找到该地址直接读写，如果找不到，会直接从内存中在读取一段数据放入高速缓存

通用寄存器

• ARM64拥有有31个64位的通用寄存器 x0 到 x30,这些寄存器通常用来存放一般性的数据，称为通用寄存器（有时也有特定用途）

  
  
  • 那么w0 到 w28 这些是32位的. 因为64位CPU可以兼容32位.所以可以只使用64位寄存器的低32位.
  • 比如 w0 就是 x0的低32位!

• 通常，CPU会先将内存中的数据存储到通用寄存器中，然后再对通用寄存器中的数据进行运算

• 假设内存中有块红色内存空间的值是3，现在想把它的值加1，并将结果存储到蓝色内存空间

  
  
  • CPU首先会将红色内存空间的值放到X0寄存器中：mov X0,红色内存空间
  • 然后让X0寄存器与1相加：add X0,1
  • 最后将值赋值给内存空间：mov 蓝色内存空间,X0

pc寄存器(program counter)

• 为指令指针寄存器，它指示了CPU当前要读取指令的地址
• 在内存或者磁盘上，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息
• CPU在工作的时候把有的信息看做指令，有的信息看做数据，为同样的信息赋予了不同的意义
• CPU根据什么将内存中的信息看做指令？
  • CPU将pc指向的内存单元的内容看做指令
  • 如果内存中的某段内容曾被CPU执行过，那么它所在的内存单元必然被pc指向过

bl指令

• CPU从何处执行指令是由pc中的内容决定的，我们可以通过改变pc的内容来控制CPU执行目标指令
• ARM64提供了一个mov指令（传送指令），可以用来修改大部分寄存器的值，比如
  • mov x0,#10、mov x1,#20
• 但是，mov指令不能用于设置pc的值，ARM64没有提供这样的功能
• ARM64提供了另外的指令来修改PC的值，这些指令统称为转移指令，最简单的是bl指令
  注意
  mov x0 #10 代表的含义是 将10这个数复制给x0(寄存器).
  

数据地址寄存器

数据地址寄存器通常用来做数据计算的临时存储、做累加、计数、地址保存等功能。定义这些寄存器的作用主要是用于在CPU指令中保存操作数，在CPU中当做一些常规变量来使用，上面说到的通用寄存器也在其中

• ARM64中
  • 64位: X0-X30, XZR(零寄存器)
  • 32位: W0-W30, WZR(零寄存器)

注意:
8086汇编中有一种特殊的寄存器 段寄存器:CS,DS,SS,ES四个寄存器来保存这些段的基地址,这个属于Intel架构CPU中.在ARM中并没有

浮点和向量寄存器

因为浮点数的存储以及其运算的特殊性,CPU中专门提供浮点数寄存器来处理浮点数

浮点寄存器

• 64位: D0 - D31 32位: S0 - S31

• 现在的CPU支持向量运算.(向量运算在图形处理相关的领域用得非常的多)为了支持向量计算系统了也提供了众多的向量寄存器.

  
  64
  32

向量寄存器

• 128位:V0-V31

  
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