网络安全编程：x86汇编语言之寄存器

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任何程序的执行，归根结底，都是存放在存储器里的指令序列执行的结果。寄存器用来存放程序运行中的各种信息，包括操作数地址、操作数及运算的中间结果等。下面来熟悉各种寄存器。

1. CPU工作模式

x86体系的CPU有两种基本的工作模式，分别是实模式和保护模式。

实模式也称为实地址模式，实现了Intel 8086处理器的程序设计环境。该模式被早期的Win 9x和DOS所支持。实模式下可以访问的内存为1MB。实模式可以直接访问硬件，比如直接对端口进行操作，对中断进行操作。现在的CPU仍然支持实模式，一是为了与早期的CPU架构保持兼容，二是因为所有的x86架构处理器都是从实模式引导起来的。

保护模式是处理器主要的工作模式，Linux和Windows NT内核的系统都工作在x86的保护模式下。保护模式下，每个进程可以访问的内存地址为4GB，且进程间是隔离的。

2. 基本寄存器

寄存器是CPU内部的高速存储单元，访问速度比内存快得多，而价格也高很多（在单位价格内，寄存器的价格要比内存贵，内存要比硬盘贵）。CPU中，常用的寄存器分为4类，分别是8个通用寄存器、6个段寄存器、1个标志寄存器和1个指令指针寄存器，如图1所示。

图1  x86处理器的基本寄存器

（1）通用寄存器

通用寄存器主要用于各种运算和数据的传送，每个寄存器都可以作为一个32位、16位或8位来使用，如图2所示。

图2  通用寄存器示意图（一）

对于图2来说，可以将一个寄存器分别当8位、16位或32位来使用。EAX寄存器可以存储32位的数据。EAX的低16位可以表示为AX，可以存储16位的数据。AX寄存器又可分为AH和AL两个8位的寄存器，AH对应AX寄存器的高8位，AL对应AX寄存器的低8位。

只有数据存储寄存器可以按照这样的方式进行使用。由图1可知，数据存储寄存器有EAX、EBX、ECX和EDX 4个。

（2）通用寄存器的使用方式及特殊用途

指针变址寄存器可以按照32位或16位进行使用，如图3所示。

图3  通用寄存器示意图（二）

对于图3来说，只可以将一个寄存器分为32位或16位进行使用。ESI寄存器可以存储32位的指针，其中低16位可以表示为SI，存储16位的指针，但是无法像AX那样能拆分成高8位和低8位。

各通用寄存器可以使用的方式如图4所示。

图4  各通用寄存器可以使用的方式

关于通用寄存器中有部分寄存器有特殊用途：

① EAX在乘法和除法指令中被自动使用；

② CPU自动使用ECX作为循环计数器；

③ ESP寻址堆栈（准确地讲，应该是栈，其实“堆”是“堆”，“栈”是“栈”，就如同“刀剑”虽然合起来称呼，其实是两种不同的兵器）上的数据，ESP寄存器一般不参与算数运算，通常称为栈指针寄存器；

④ ESI和EDI通常用于内存数据的高速传送，被称为源指针寄存器和目的指针寄存器；

⑤ EBP由高级语言用来引用参数和局部变量，通常被称为栈帧基址指针寄存器。

（3）指令指针寄存器

指令指针寄存器EIP是一个32位的寄存器。在16位的环境中，其名称为IP。EIP寄存器通常保存着下一条要执行的指令的地址。下一条指令的地址为当前指令的地址加当前指令的长度。

特殊（其实也算不上通常与特殊）情况是当前指令为一条转移指令，比如JMP、JE、LOOP等指令，会改变EIP的值，导致CPU执行指令产生跳跃性执行，从而构成分支与循环的程序结构。

EIP中的值始终在引导CPU的执行。

（4）段寄存器

段寄存器被用于存放段的基地址，段是一块预分配的内存区域。有些段存放有程序的指令，有些则存放有程序的变量，另外还有其他的段，如堆栈段存放着函数变量和函数参数等。在16位CPU中，段寄存器只有4个，分别是CS（代码段）、DS（数据段）、SS（堆栈段）和ES（附加段）。

在32位CPU中，段寄存器从4个扩展为6个，分别是CS、DS、SS、ES、FS和GS。FS和GS段寄存器也属于附加的段寄存器。

（5）标志寄存器

在16位CPU中，标志寄存器称为FLAGS（有的书上是PSW，即程序状态字寄存器）。在32位CPU中，标志寄存器也随之扩展为32位，被称为EFLAGS。

关于标志寄存器，16位CPU中的标志已经满足于日常的程序设计所用，这里主要介绍16位CPU中的标志。标志寄存器如图5所示。

图5  16位的标志寄存器

图5说明，标志寄存器中的每一个标志位只占1位，而16位的标志寄存器并没有全部使用。16位的标志寄存器分为两部分，分别是条件标志和控制标志。

条件标志寄存器说明如下。

① OF（Overflow Flag）：溢出标志位，溢出时为1，否则为0。

② SF（Sign Flag）：符号标志，运算结果为负时，为1，否则为0。

③ ZF（Zero Flag）：零标志，运算结果为0时，为1，否则为0。

④ （Auxiliary carry Flag）：辅助进位标志，记录运算时第3位（半字节）产生的进位，有进位时为1，否则为0。

⑤ （Parity Flag）：奇偶标志，结果操作数中1的个数为偶数时，为1，否则为0。

⑥ CF（Carry Flag）：进位标志，产生进位时为1，否则为0。

控制标志寄存器说明如下。

① DF（Direction Flag）：方向标志，在串处理指令中用于控制方向。

② IF（Interrupt Flag）：中断标志。

③ TF（Trap Flag）：陷阱标志。

在日常的使用过程中，较为常用的标志有CF、PF、ZF、SF、DF和OF。

16位CPU中的标志在32位CPU中继续使用，32位扩展了4个新的标志位。