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暂存器详细资料大全  

暂存器是中央处理器内的组成部分。暂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。在中央处理器的控制部件中，包含的暂存器有指令暂存器(IR)和程式计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，暂存器有累加器(ACC)。

基本介绍

中文名：暂存器外文名：Register定义：有限存贮容量的高速存贮部件分类：指令暂存器(IR) 程式计数器(PC) 基本含义,分类,原理,8086暂存器,通用暂存器,指令指针IP,标志暂存器,段暂存器,工作原理,主要技术,重命名技术,乱序执行技术,特点,用途,具体举例,UxCTL,通用暂存器,特殊暂存器,段选择器,指令指针,其他暂存器,

基本含义

暂存器，是积体电路中非常重要的一种存储单元，通常由触发器组成。在积体电路设计中，暂存器可分为电路内部使用的暂存器和充当内外部接口的暂存器这两类。内部暂存器不能被外部电路或软体访问，只是为内部电路的实现存储功能或满足电路的时序要求。而接口暂存器可以同时被内部电路和外部电路或软体访问，CPU中的暂存器就是其中一种，作为软硬体的接口，为广泛的通用编程用户所熟知。 在计算机领域，暂存器是CPU内部的元件，包括通用暂存器、专用暂存器和控制暂存器。暂存器拥有非常高的读写速度，所以在暂存器之间的数据传送非常快。 暂存器是记忆体阶层中的最顶端，也是系统获得操作资料的最快速途径。暂存器通常都是以他们可以保存的位元数量来估量， 举例来说，一个“8 位元暂存器”或“32位元暂存器”。暂存器现在都以暂存器档案的方式来实作，但是他们也可能使用单独的正反器、高速的核心记忆体、薄膜记忆体以及在数种机器上的其他方式来实作出来。 暂存器 暂存器通常都用来意指由一个指令之输出或输入可以直接索引到的暂存器群组。更适当的是称他们为“架构暂存器”。 例如，x86指令集定义八个32 位元暂存器的集合，但一个实际 x86 指令集的CPU可以包含比八个更多的暂存器。

分类

数据暂存器- 用来储存整数数字（参考以下的浮点暂存器）。在某些简单/旧的CPU，特别的数据暂存器是累加器，作为数学计算之用。 暂存器 地址暂存器- 持有存储器地址，用来访问存储器。在某些简单/旧的CPU里，特别的地址暂存器是索引暂存器（可能出现一个或多个）。 通用目的暂存器（GPRs） - 可以保存数据或地址两者，也就是说它们是结合数据/地址 暂存器的功用。 浮点暂存器（FPRs） - 用来储存浮点数字。 常数暂存器- 用来持有只读的数值（例如0、1、圆周率等等）。 向量暂存器- 用来储存由向量处理器运行SIMD（Single Instruction, Multiple Data）指令所得到的数据。 特殊目的暂存器- 储存CPU内部的数据，像是程式计数器（或称为指令指针），堆叠暂存器，以及状态暂存器（或称微处理器状态字组）。 指令暂存器（instruction register）- 储存现在正在被运行的指令。 索引暂存器（index register）- 是在程式运行时用来更改运算对象地址之用。 在某些架构下，模式指示暂存器（也称为“机器指示暂存器”）储存和设定跟处理器自己有关的数据。由于他们的意图目的是附加到特定处理器的设计，因此他们并不被预期会成为微处理器世代之间保留的标准。 PORT1的控制暂存器 有关从随机存取存储器提取信息的暂存器与CPU（位于不同晶片的储存暂存器集合） 存储器缓冲暂存器（Memory buffer register） 存储器数据暂存器（Memory data register） 存储器地址暂存器（Memory address register） 存储器型态范围暂存器（Memory Type Range Registers） 向量暂存器

原理

暂存器的基本单元是 D触发器，按照其用途分为基本暂存器和移位暂存器 基本暂存器逻辑图 基本暂存器（见图）是由 D触发器组成，在 CP 脉冲作用下，每个 D触发器能够暂存一位二进制码。在 D=0 时，暂存器储存为 0，在 D=1 时，暂存器储存为 1。
在低电平为 0、高电平为 1 时，需将信号源与 D 间连线一反相器，这样就可以完成对数据的储存。 需要强调的是，目前大型数字系统都是基于时钟运作的，其中暂存器一般是在时钟的边缘被触发的，基于电平触发的已较少使用。（通常说的CPU的频率就是指数字积体电路的时钟频率） 移位暂存器按照移位方向可以分为单向移位暂存器和双向移位暂存器 单向移位暂存器是由多个 D 触发器串接而成（见图）,在串口 Di 输入需要储存的数据，触发器 FF0 就能够储存当前需要储存数据，在 CP 发出一次时钟控制脉冲时，串口 Di 同时输入第二个需要储存是的数据，而第一个数据则储存到触发器 FF1 中。 双向移位暂存器按图中方式排列，调换连线端顺序，可以控制暂存器向左移位，增加控制电路可以使暂存器右移，这样构成双向移位暂存器。

8086暂存器

8086 有14个16位暂存器，这14个暂存器按其用途可分为(1)通用暂存器、(2)指令指针、(3)标志暂存器和(4)段暂存器等4类。

通用暂存器

有8个, 又可以分成2组，一组是数据暂存器(4个),另一组是指针暂存器及变址暂存器(4个). 顾名思义，通用暂存器是那些你可以根据自己的意愿使用的暂存器，修改他们的值通常不会对计算机的运行造成很大的影响。 数据暂存器分为： AH&AL=AX(aumulator)：累加暂存器，常用于运算;在乘除等指令中指定用来存放运算元，另外,所有的I/O指令都使用这一暂存器与外界设备传送数据。BH&BL=BX(base)：基址暂存器，常用于地址索引CH&CL=CX(count)：计数暂存器，常用于计数；常用于保存计算值，如在移位指令,循环(loop)和串处理指令中用作隐含的计数器.暂存器DH&DL=DX(data)：数据暂存器，常用于数据传递。 他们的特点是，这4个16位的暂存器可以分为高8位: AH, BH, CH, DH.以及低八位：AL,BL,CL,DL。这2组8位暂存器可以分别定址，并单独使用。 另一组是指针暂存器和变址暂存器，包括： SP（Stack Pointer）：堆叠指针，与SS配合使用，可指向目前的堆叠位置BP（Base Pointer）：基址指针暂存器，可用作SS的一个相对基址位置SI（Source Index）：源变址暂存器，可用来存放相对于DS段之源变址指针DI（Destination Index）：目的变址暂存器，可用来存放相对于ES 段之目的变址指针。 这4个16位暂存器只能按16位进行存取操作，主要用来形成运算元的地址，用于堆叠操作和变址运算中计算运算元的有效地址。

指令指针IP

指令指针IP是一个16位专用暂存器，它指向当前需要取出的指令位元组，当BIU从记忆体中取出一个指令位元组后，IP就自动加(取出该位元组的长度，如：BIU从记忆体中取出的是1个位元组，IP就会自动加1，如果BIU从记忆体中取出的位元组数长度为3，IP就自动加3)，指向下一个指令位元组。注意，IP指向的是指令地址的段内地址偏移量，又称偏移地址(Offset Address)或有效地址(EA，Effective Address)。

标志暂存器

8086有一个16位的标志性暂存器FR，在FR中有意义的有9位，其中6位是状态位，3位是控制位。标志暂存器（Flags Register,FR）又称程式状态字(Program Status Word,PSW)。这是一个存放条件标志、控制标志暂存器，主要用于反映处理器的状态和运算结果的某些特征及控制指令的执行。 标志暂存器位置图： 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OF DF IF TF SF ZF AF PF CF OF：溢出标志位OF用于反映有符号数加减运算所得结果是否溢出。如果运算结果超过当前运算位数所能表示的范围，则称为溢出，OF的值被置为1，否则，OF的值被清为0。DF：方向标志DF位用来决定在串操作指令执行时有关指针暂存器发生调整的方向。IF：中断允许标志IF位用来决定CPU是否回响CPU外部的可禁止中断发出的中断请求。但不管该标志为何值，CPU都必须回响CPU外部的不可禁止中断所发出的中断请求，以及CPU内部产生的中断请求。具体规定如下： (1)、当IF=1时，CPU可以回响CPU外部的可禁止中断发出的中断请求 (2)、当IF=0时，CPU不回响CPU外部的可禁止中断发出的中断请求。 TF：跟踪标志TF。该标志可用于程式调试。TF标志没有专门的指令来设定或清除。 （1）如果TF=1，则CPU处于单步执行指令的工作方式，此时每执行完一条指令，就显示CPU内各个暂存器的当前值及CPU将要执行的下一条指令。 （2）如果TF=0，则处于连续工作模式。 SF：符号标志SF用来反映运算结果的符号位，它与运算结果的最高位相同。在微机系统中，有符号数采用补码表示法，所以，SF也就反映运算结果的正负号。运算结果为非负数时，SF的值为0，否则其值为1。当运算结果没有产生溢出时，运算结果等于逻辑结果（即应该得到的正确的结果），此时SF表示的是逻辑结果的正负，当运算结果产生溢出时，运算结果不等于逻辑结果，此时的SF值所表示的正负情况与逻辑结果相反，即：SF=0时，逻辑结果为负，SF=1时，逻辑结果为非负。ZF：零标志ZF用来反映运算结果是否为0。如果运算结果为0，则其值为1，否则其值为0。在判断运算结果是否为0时，可使用此标志位。暂存器AF：( Assistant Carry Flag)下列情况下，辅助进位标志AF的值被置为1，否则其值为0： (1)、在字操作时，发生低位元组向高位元组进位或借位时 (2)、在位元组操作时，发生低4位向高4位进位或借位时。 PF：奇偶标志PF用于反映运算结果中“1”的个数的奇偶性。如果“1”的个数为偶数，则PF的值为1，否则其值为0。CF：进位标志CF主要用来反映无符号数运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生了一个进位或借位，那么，其值为1，否则其值为0。

段暂存器

为了运用所有的记忆体空间，8086设定了四个段暂存器，专门用来保存段地址：CS（Code Segment）：代码段暂存器暂存器DS（Data Segment）：数据段暂存器SS（Stack Segment）：堆叠段暂存器ES（Extra Segment）：附加段暂存器。 当一个程式要执行时，就要决定程式代码、数据和堆叠各要用到记忆体的哪些位置，通过设定段暂存器CS，DS，SS 来指向这些起始位置。通常是将DS固定，而根据需要修改CS。所以，程式可以在可定址空间小于64K的情况下被写成任意大小。所以，程式和其数据组合起来的大小，限制在DS 所指的64K内，这就是COM档案不得大于64K的原因。8086以记忆体作为战场，用暂存器做为军事基地，以加速工作。 备注：由于所讲的是16位cpu(IP暂存器的位数为16，即：偏移地址为16位)2的16次幂就是64K，所以16位段地址不能超过64K，超过64K会造成64K以上的地址找不到。

工作原理

暂存器的功能十分重要，CPU对存储器中的数据进行处理时，往往先把数据取到内部暂存器中，而后再作处理。外部暂存器是计算机中其它一些部件上用于暂存数据的暂存器，它与CPU之间通过“连线埠”交换数据，外部暂存器具有暂存器和记忆体储器双重特点。有些时候我们常把外部暂存器就称为“连线埠”，这种说法不太严格，但经常这样说。 外部暂存器虽然也用于存放数据，但是它保存的数据具有特殊的用途。某些暂存器中各个位的0、1状态反映了外部设备的工作状态或方式；还有一些暂存器中的各个位可对外部设备进行控制；也有一些连线埠作为CPU同外部设备交换数据的通路。所以说，连线埠是CPU和外设间的联系桥梁。CPU对连线埠的访问也是依据连线埠的“编号”（地址），这一点又和访问存储器一样。不过考虑到机器所联接的外设数量并不多，所以在设计机器的时候仅安排了1024个连线埠地址，连线埠地址范围为0--3FFH。

主要技术

重命名技术

暂存器重命名，是CPU在解码过程中对暂存器进行重命名，解码器把“其它”的暂存器名字变为“通用”的暂存器名字，本质上是通过一个表格把x86暂存器重新映射到其它暂存器，这样可以让实际使用到的暂存器远大于8个。这样做的好处除了便于前面指令发生意外或分支预测出错时取消外，还避免了由于两条指令写同一个暂存器时的等待。

乱序执行技术

采用乱序执行技术使CPU内部电路满负荷运转并相应提高了CPU运行程式的速度。这好比请A、B、C三个名人为春节联欢晚会题写横幅“春节联欢晚会”六个大字，每人各写两个字，如果这时在一张大纸上按顺序由A写好“春节”后再交给B写“联欢”，然后再由C写“晚会”，那么这样在A写的时候，B和C必须等待，而在B写的时候C仍然要等待而A已经没事了。 但如果采用三个人分别用三张纸同时写的做法，那么B和C都不必等待就可以同时各写各的了，甚至C和B还可以比A先写好　也没关系（就像乱序执行），但当他们都写完后就必须重新在横幅上按“春节联欢晚会”的顺序排好（自然可以由别人做，就象CPU中乱序执行后的重新排列单元）才能挂出去。

特点

暂存器又分为内部暂存器与外部暂存器，所谓内部暂存器，其实也是一些小的存储单元，也能存储数据。但同存储器相比，暂存器又有自己独有的特点： ①暂存器位于CPU内部，数量很少，仅十四个 ②暂存器所能存储的数据不一定是8bit，有一些暂存器可以存储16bit数据，对于386/486处理器中的一些暂存器则能存储32bit数据 ③每个内部暂存器都有一个名字，而没有类似存储器的地址编号。

用途

1．可将暂存器内的数据执行算术及逻辑运算 2．存于暂存器内的地址可用来指向记忆体的某个位置，即定址 3．可以用来读写数据到电脑的周边设备。

具体举例

UxCTL

UxCTL暂存器是一个8位的暂存器。UASRT模组的基本操作由该暂存器的控制位确定的，它包含了通信协定、通信模式和校验位等的选择。图给出了暂存器的各个位。图 图UxCTL暂存器 由图可以看出，UxCTL暂存器主要包括8个有效的控制位。为了增加对UxCTL暂存器的了解，知道怎样对该暂存器进行正确的设定，下面对UxCTL暂存器的各个位进行详细介绍。 PENA：校验使能位。当该位为0时，不允许校验；当该位为1时，允许校验。如果允许校验，则传送时产生校验位，在接收时希望接收到校验位。．当在地址位多机模式中¨地址位包括在校验计算中。 PEV：奇偶校验位。当该位为0时，进行奇校验；当该位为1时，进行偶校验。 SPB：停止位。该位用来选择传送时停止位的个数，但接收时停止位只有一个。当该位为0时，传送时只有1个停止位；当该位为1时，传送时有2个停止位。 CHAR：字元长度位。该位用来选择传送时数据的长度。当该位为0时，传送的数据为7位；当该位为1时，传送的数据为8位。 LISTEN：监听使能位。该位用来选择反馈模式。当该位为0时，没有反馈；当该位为1时，有反馈，传送的数据被送到接收器，这样可以进行自环测试。 SYNC：该位用于同步模式选择和异步模式选择。当该位为0时，USART模组为异步通信（UART）模式；当该位为1时，USART模组为同步通信（SPI）模式。 MM：多机模式选择位。当该位为0时，多机模式选择线路空闲多机协定；当该位为1时，多机模式选择地址位多机协定。 SWRST：软体复位使能位。当该位为0时，UASRT模组被允许；当该位为1时，UASRT模组被禁止。 通过以上对UxCTL暂存器的各个位的介绍，可以完成对通信模式和通信数据格式等的选择。

通用暂存器

顾名思义，通用暂存器是那些你可以根据自己的意愿使用的暂存器，修改他们的值通常不会对计算机的运行造成很大的影响。通用暂存器最多的用途是计算。通用暂存器 EAX：通用暂存器。相对其他暂存器，在进行运算方面比较常用。在保护模式中，也可以作为记忆体偏移指针（此时，DS作为段暂存器或选择器） EBX：通用暂存器。通常作为记忆体偏移指针使用（相对于EAX、ECX、EDX），DS是默认的段暂存器或选择器。在保护模式中，同样可以起这个作用。 ECX：通用暂存器。通常用于特定指令的计数。在保护模式中，也可以作为记忆体偏移指针（此时，DS作为暂存器或段选择器）。 EDX：通用暂存器。在某些运算中作为EAX的溢出暂存器（例如乘、除）。 同AX分为AH&AL一样，上述暂存器包括对应的16-bit分组和8-bit分组。

特殊暂存器

ESI：通常在记忆体操作指令中作为“源地址指针”使用。当然，ESI可以被装入任意的数值，但通常没有人把它当作通用暂存器来用。DS是默认段暂存器或选择器。现金暂存器 EDI：通常在记忆体操作指令中作为“目的地址指针”使用。当然，EDI也可以被装入任意的数值，但通常没有人把它当作通用暂存器来用。ES是默认段暂存器或选择器。 EBP和ESP：作为指针的暂存器，也可作为16位暂存器BP, SP使用，常用于椎栈操作。通常，它被高级语言编译器用以建造‘堆叠帧'来保存函式或过程的局部变数，不过，还是那句话，你可以在其中保存你希望的任何数据。SS是它的默认段暂存器或选择器。 注意，这四个暂存器没有对应的8-bit分组。换言之，你可以通过SI、DI、BP、SP作为别名访问他们的低16位，却没有办法直接访问他们的低8位。

段选择器

实模式下的段暂存器到保护模式下摇身一变就成了选择器。不同的是，实模式下的“段暂存器”是16-bit的，而保护模式下的选择器是32-bit的。 CS代码段，或代码选择器。同IP暂存器(稍后介绍)一同指向当前正在执行的那个地址。处理器执行时从这个暂存器指向的段（实模式）或记忆体（保护模式）中获取指令。除了跳转或其他分支指令之外，你无法修改这个暂存器的内容。 DS数据段，或数据选择器。这个暂存器的低16 bit连同ESI一同指向的指令将要处理的记忆体。同时，所有的记忆体操作指令默认情况下都用它指定操作段(实模式)或记忆体(作为选择器，在保护模式。这个暂存器可以被装入任意数值，然而在这么做的时候需要小心一些。方法是，首先把数据送给AX，然后再把它从AX传送给DS(当然，也可以通过堆叠来做). ES 附加段，或附加选择器。这个暂存器的低16 bit连同EDI一同指向的指令将要处理的记忆体。同样的，这个暂存器可以被装入任意数值，方法和DS类似。 FS F段或F选择器(推测F和下面的G正好是上面CS,DS,ES的字母顺延)。可以用这个暂存器作为默认段暂存器或选择器的一个替代品。它可以被装入任何数值，方法和DS类似。 GS G段或G选择器(G的意义和F一样，没有在Intel的文档中解释)。它和FS几乎完全一样。 SS堆叠段或堆叠选择器。这个暂存器的低16 bit连同ESP一同指向下一次堆叠操作(push和pop)所要使用的堆叠地址。这个暂存器也可以被装入任意数值，你可以通过入栈和出栈操作来给他赋值，不过由于堆叠对于很多操作有很重要的意义，因此，不正确的修改有可能造成对堆叠的破坏。 * 注意一定不要在初学汇编的阶段把这些暂存器弄混。他们非常重要，而一旦你掌握了他们，你就可以对他们做任意的操作了。段暂存器，或选择器，在没有指定的情况下都是使用默认的那个。这句话在现在看来可能有点稀里糊涂，不过你很快就会在后面知道如何去做。

指令指针

EIP 这个暂存器非常的重要。这是一个32位宽的暂存器，同CS一同指向即将执行的那条指令的地址，存放指令的偏移地址。微处理器工作于实模式下，EIP是IP（16位）暂存器。不能够直接修改这个暂存器的值，修改它的唯一方法是跳转或分支指令。(CS是默认的段或选择器) E、标志暂存器EFR EFR（extra flags register）包括状态位、控制位和系统标志位，用于指示微处理器的状态并控制微处理器的操作。80486 CPU标志暂存器如图2.12所示。 ①状态标志位：包括进位标志CF、奇偶标志PF、辅助进位标志AF、零标志ZF 、符号标志SF和溢出标志OF。 ② 控制标志位：包括陷阱标志（单步操作标志）TF、中断标志IF和方向标志DF。80486 CPU标志暂存器中的状态标志位和控制标志位与8086 CPU标志暂存器中的状态标志位和控制标志位的功能完全一样，这里就不再赘述。 ③ 系统标志位和IOPL栏位：在EFR暂存器中的系统标志和IOPL栏位，用于控制作业系统或执行某种操作。它们不能被应用程式修改。 IOPL（I/O privilege level field）：输入/输出特权级标志位。它规定了能使用I/O敏感指令的特权级。在保护模式下，利用这两位编码可以分别表示0, 1, 2, 3这四种特权级，0级特权最高，3级特权最低。在80286以上的处理器中有一些I/O敏感指令，如CLI（关中断指令）、STI（开中断指令）、IN（输入）、OUT（输出）。IOPL的值规定了能执行这些指令的特权级。只有特权高于IOPL的程式才能执行I/O敏感指令，而特权低于IOPL的程式，若企图执行敏感指令，则会引起异常中断。 NT（nested task flag）：任务嵌套标志。在保护模式下，指示当前执行的任务嵌套于另一任务中。当任务被嵌套时，NT=1，否则NT=0。 RF（resume flag）：恢复标志。与调试暂存器一起使用，用于保证不重复处理断点。当RF=1时，即使遇到断点或故障，也不产生异常中断。 VM（virtual 8086 mode flag）：虚拟8086模式标志。用于在保护模式系统中选择虚拟操作模式。VM=1，启用虚拟8086模式；VM=0，返回保护模式。 AC（alignment check flag）：伫列检查标志。如果在不是字或双字的边界上定址一个字或双字，伫列检查标志将被激活。

其他暂存器

上面是最基本的暂存器。下面是一些其他的暂存器，你甚至可能没有听说过它们。(都是32位宽)： CR0, CR2, CR3(控制暂存器)。举一个例子，CR0的作用是切换实模式和保护模式。 还有其他一些暂存器，D0, D1, D2, D3, D6和D7(调试暂存器)。他们可以作为调试器的硬体支持来设定条件断点。 TR3, TR4, TR5, TR6 和TR?暂存器(测试暂存器)用于某些条件测试。