45个寄存器、CPU核心技术大揭秘（下）

调试寄存器

在x86/x64CPU内部，还有一组用于支持软件调试的寄存器。

调试，对于我们程序员是家常便饭，必备技能。但你想过你的程序能够被调试背后的原理吗？

程序能够被调试，关键在于能够被中断执行和恢复执行，被中断的地方就是我们设置的断点。那程序是如何能在遇到断点的时候停下来呢？

对于一些解释执行（PHP、Python、JavaScript）或虚拟机执行（Java）的高级语言，这很容易办到，因为它们的执行都在解释器/虚拟机的掌控之中。

而对于像C、C++这样的“底层”编程语言，程序代码是直接编译成CPU的机器指令来执行的，这就需要CPU来提供对于调试的支持了。

对于通常的断点，也就是程序执行到某个位置下就停下来，这种断点实现的方式，在x86/x64上，是利用了一条软中断指令：int 3来进行实现的。

注意，这里的int不是指高级语言里面的整数，而是表示interrupt中断的意思，是一条汇编指令，int 3则表示中断向量号为3的中断。

在我们使用调试器下断点时，调试器将会把对应位置的原来的指令替换为一个int 3指令，机器码为0xCC。这个动作对我们是透明的，我们在调试器中看到的依然是原来的指令，但实际上内存中已经不是原来的指令了。

顺便提一句，两个0xCC是汉字【烫】的编码，在一些编译器里，会给线程的栈中填充大量的0xCC，如果程序出错的时候，我们经常会看到很多烫烫烫出现，就是这个原因。

言归正传，CPU在执行这条int 3指令时，将自动触发中断处理流程（虽然这实际上不是一个真正的中断），CPU将取出IDTR寄存器指向的中断描述符表IDT的第3项，执行里面的中断处理函数。

而这个中断描述符表，早在操作系统启动之初，就已经提前安排好了，所以执行这条指令后，操作系统的中断处理函数将介入，来处理这一事件。

后面的过程就多了，简单来说，操作系统会把触发这一事件的进程冻结起来，随后将这一事件发送到调试器，调试器拿到之后就知道目标进程触发断点了。这个时候，咱们程序员就能通过调试器的UI交互界面或者命令行调试接口来调试目标进程，查看堆栈、查看内存、变量都随你。

如果我们要继续运行，调试器将会把之前修改的int 3指令给恢复回去，然后告知操作系统：我处理完了，把目标进程解冻吧！

上面简单描述了一下普通断点的实现原理。现在思考一个场景：我们发现一个bug，某个全局整数型变量的值老是莫名其妙被修改，但你发现有很多线程，很多函数都有可能会去修改这个变量，你想找出到底谁干的，怎么办？

这个时候上面的普通断点就没办法了，你需要一种新的断点： 硬件断点 。

这时候就该本小节的主人公调试寄存器登场表演了。

在x86架构CPU内部，提供了8个调试寄存器DR0~DR7。

DR0~DR3：这是四个用于存储地址的寄存器

DR4~DR5 ：这两个有点特殊，受前面提到的CR4寄存器中的标志位DE位控制，如果CR4的DE位是1，则DR4、DR5是不可访问的，访问将触发异常。如果CR4的DE位是0，则DR4和DR5将会变成DR6和DR7的别名，相当于做了一个软链接。这样做是为了将DR4、DR5保留，以便将来扩展调试功能时使用。

DR6 ：这个寄存器中存储了硬件断点触发后的一些状态信息

DR7 ：调试控制寄存器，这里面记录了对DR0-DR3这四个寄存器中存储地址的中断方式（是对地址的读，还是写，还是执行）、数据长度（1/2/4个字节）以及作用范围等信息

通过调试器的接口设置硬件断点后，CPU在执行代码的过程中，如果满足条件，将自动中断下来。

回答前面提出的问题，想要找出是谁偷偷修改了全局整形变量，只需要通过调试器设置一个硬件写入断点即可。

描述符寄存器

所谓 描述符 ，其实就是一个数据结构，用来记录一些信息，‘描述’一个东西。把很多个描述符排列在一起，组成一个表，就成了描述符表。再使用一个寄存器来指向这个表，这个寄存器就是 描述符寄存器 。

在x86/x64系列CPU中，有三个非常重要的描述符寄存器，它们分别存储了三个地址，指向了三个非常重要的描述符表。

gdtr: 全局描述符表寄存器，前面提到，CPU现在使用的是段+分页结合的内存管理方式，那系统总共有那些分段呢？这就存储在一个叫全局描述符表（ GDT ）的表格中，并用gdtr寄存器指向这个表。这个表中的每一项都描述了一个内存段的信息。

ldtr: 局部描述符表寄存器，这个寄存器和上面的gdtr一样，同样指向的是一个段描述符表（ LDT ）。不同的是，GDT是全局唯一，LDT是局部使用的，可以创建多个，随着任务段切换而切换（下文介绍任务寄存器会提到）。

GDT和LDT中的表项，就是段描述符，描述了一个内存分段的信息。

一个表项占据8个字节（32位CPU），里面存储了一个内存分段的诸多信息：基地址、大小、权限、类型等信息。

除了这两个段描述符寄存器，还有一个非常重要的描述符寄存器：

idtr : 中断描述符表寄存器，指向了 中断描述符表IDT ，这个表的每一项都是一个中断处理描述符，当CPU执行过程中发生了硬中断、异常、软中断时，将自动从这个表中定位对应的表项，里面记录了发生中断、异常时该去哪里执行处理函数。

IDT中的表项称为 Gate ，中文意思为 门 ，因为这是应用程序进入内核的主要入口。虽然表的名字叫中断描述符表，但表中存储的不全是中断描述符，IDT中的表项存在三种类型，对应三种类型的门：

• 任务门
• 陷阱门
• 中断门

三种描述符中都存储了处理这个中断/异常/任务时该去哪里处理的地址。三种门用途不一，其中中断门是真正意义上的中断，而像前面提到的调试指令int 3以及老式的系统调用指令int 2e/int 80都属于陷阱门。任务门则用的较少，要了解任务门，先了解下任务寄存器。

任务寄存器

现代操作系统，都是支持多任务并发运行的，x86架构CPU为了顺应时代潮流，在硬件层面上提供了专门的机制用来支持多任务的切换，这体现在两个方面：

CPU内部设置了一个专用的寄存器—— 任务寄存器TR ，它指向当前运行的任务。

定义了描述任务的数据结构 TSS ，里面存储了一个任务的上下文（一系列寄存器的值），下图是一个32位CPU的TSS结构图：

x86CPU的构想是每一个任务对应一个TSS，然后由TR寄存器指向当前的任务，执行任务切换时，修改TR寄存器的指向即可，这是硬件层面的多任务切换机制。

这个构想其实还是很不错的，然而现实却打了脸，包括Linux和Windows在内的主流操作系统都没有使用这个机制来进行线程切换，而是自己使用软件来实现多线程切换。

所以，绝大多数情况下，TR寄存器都是指向固定的，即便线程切换了，TR寄存器仍然不会变化。

注意，我这里说的的是绝大多数情况，而没有说死。虽然操作系统不依靠TSS来实现多任务切换，但这并不意味着CPU提供的TSS操作系统一点也没有使用。还是存在一些特殊情况，如一些异常处理会使用到TSS来执行处理。

下面这张图，展示了控制寄存器、描述符寄存器、任务寄存器构成的全貌：

模型特定寄存器

从80486之后的x86架构CPU，内部增加了一组新的寄存器，统称为 MSR寄存器 ，中文直译是模型特定寄存器，意思是这些寄存器不像上面列出的寄存器是固定的，这些寄存器可能随着不同的版本有所变化。这些寄存器主要用来支持一些新的功能。

随着x86CPU不断更新换代，MSR寄存器变的越来越多，但与此同时，有一部分MSR寄存器随着版本迭代，慢慢固化下来，成为了变化中那部分不变的，这部分MSR寄存器，Intel将其称为Architected MSR，这部分MSR寄存器，在命名上，统一加上了IA32的前缀。

这里选取三个代表性的MSR简单介绍一下：

• IA32_SYSENTER_CS
• IA32_SYSENTER_ESP
• IA32_SYSENTER_EIP

这三个MSR寄存器是用来实现 快速系统调用 。

在早期的x86架构CPU上，系统调用依赖于软中断实现，类似于前面调试用到的int 3指令，在Windows上，系统调用用到的是 int 2e ，在Linux上，用的是 int 80 。

软中断毕竟还是比较慢的，因为执行软中断就需要内存查表，通过IDTR定位到IDT，再取出函数进行执行。

系统调用是一个频繁触发的动作，如此这般势必对性能有所影响。在进入奔腾时代后，就加上了上面的三个MSR寄存器，分别存储了执行系统调用后，内核系统调用入口函数所需要的段寄存器、堆栈栈顶、函数地址，不再需要内存查表。快速系统调用还提供了专门的CPU指令sysenter/sysexit用来发起系统调用和退出系统调用。

在64位上，这一对指令升级为 syscall/sysret 。

总结

以上就是全部要介绍的寄存器了，需要说明一下的是，这并不是x86CPU全部所有的寄存器，除了这些，还存在XMM、MMX、FPU浮点数运算等其他寄存器。

这篇文章以x86/x64架构CPU为目标，通过对CPU内部寄存器的阐述，串讲了CPU执行代码机制、内存寻址技术、中断与异常处理、多任务管理、系统调用、调试原理等多种计算机底层知识。