Регистры

Регистр процессора — поле заданной длины во внутрипроцессорной сверхбыстрой оперативной памяти (СОЗУ). Используется самим процессором, может быть как доступным, так и не доступным программно. Например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, обращение к которому программист прописать не может.

Программно недоступные регистры: Программно недоступные регистры — любые процессорные регистры, к которым невозможно так или иначе обратиться из выполняемой программы. Пример таких регистров — это регистр команд.

Регистр команд (англ. instruction register — IR) — часть блока управления центрального процессора, содержащая инструкцию, которая выполняется в настоящий момент, или декодированную. Регистр команд — это регистр управляющего устройства компьютера. Он предназначен для хранения кода команды на период времени, который необходим для ее выполнения. Только разряд командного регистра используется для хранения кода операции: в остальных разрядах хранятся коды адресов операндов.

Программно доступные регистры есть те, к которым возможно так или иначе обратиться из выполняемой программы. Практически каждый такой регистр обозначается своим именем-идентификатором на уровне языка ассемблера и соответствующим числовым кодом-идентификатором на уровне машинного языка.

По уровню доступности программно доступные регистры неодинаковы и практически делятся на две большие подгруппы:

Системные регистры — любые регистры, программно доступные только системным программам (например, ядру операционной системы), имеющим достаточный для этого уровень системных привилегий/прав. В терминах многих машинных систем такой уровень привилегий часто называется «уровнем/режимом ядра» или «режимом супервизора».

Регистры общего назначения (РОН) — регистры, доступные любым программам. В частности, регистры, используемые без ограничения в арифметических и логических операциях, но имеющие определённые аппаратные ограничения (например, в строковых РОН). Эти регистры не характерны для эпохи мейнфреймов типа IBM/370 и стали популярными в микропроцессорах архитектуры X86 — Intel 8085, Intel 8086 и последующих.

Одним из ключевых элементов архитектуры процессора являются регистры. Эти быстрые ячейки памяти, расположенные непосредственно в процессоре, играют критическую роль в выполнении программ. В этой статье мы рассмотрим:

Общие регистры.
Такие как EAX, EBX, ECX, EDX, ESP, EBP, ESI и EDI которые используются для хранения данных и выполнения операций.

Сегментные регистры.
Регистры CS, DS, SS, ES, FS, GS – управляют доступом к различным сегментам памяти.

Регистры управления и состояния.
Регистры EIP и EFLAGS, которые отслеживают и управляют потоком выполнения и состоянием процессора.

С появлением архитектуры x86-64 регистры получили свои 64-битные аналоги: RAX, RBX, RCX, RDX, RSP, RBP, RSI и RDI. Расширение до 64 бит позволило увеличить объем данных, с которыми можно работать, и улучшить производительность в современных вычислительных задачах. Кроме того, в x86-64 добавлены новые регистры, такие как R8-R15, что предоставляет дополнительные возможности для оптимизации и параллельной обработки данных.

Понимание и эффективное использование этих регистров — это один из важных навыков в реверс-инжиниринге.

Шестнадцать 64-разрядных регистров RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14 и R15

Шестнадцать 32-разрядных регистров EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP, R8D, R9D, R10D, R11D, R12D, R13D, R14D и R15D

Шестнадцать 16-разрядных регистров AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, R8W, R9W, R10W, R11W, R12W, R13W, R14W и R15W

Шестнадцать 8-разрядных регистров AL, AH, BL, BH, CL, CH, DL, DH, DIL, SIL, BPL, SPL, R8B, R9B, R10B, R11B, R12B, R13B, R14B и R15B

EAX (extended accumulator register). Часто используется для операций ввода-вывода, арифметических вычислений и хранения возвращаемых значений функций.

При расширении до 32 бит, 16-битные регистры стали частью новых 32-битных регистров. Например, регистр AX был включён в регистр EAX, где младшие 16 бит EAX соответствуют регистру AX.

При переходе к 64-битным регистрациям, 32-битные регистры (например, EAX) включены в более широкий регистр — RAX. В случае регистра RAX, младшие 32 бита этого регистра являются регистром EAX.

Таким образом, 8-битные регистры AH и AL всё также сохраняют свою функциональность и доступны в составе более широких регистров новых архитектур.

EBX (base register). Применяется как указатель на данные в сегменте данных и для хранения адресов.

Один из восьми основных регистров общего назначения в архитектуре x86 и x86-64 процессоров Intel. Это 32-битный регистр, расширенная версия 16-битного регистра BX. BX, в свою очередь, состоит из двух 8-битных регистров: BH (старший байт) и BL (младший байт).

Регистр EBX используется для хранения базового адреса, относительно которого вычисляются адреса других данных в памяти. Это может быть адрес начала структуры данных, массива или любой другой области памяти. Относительно этого адреса вычисляются смещения для доступа к конкретным элементам данных.

Доступ к элементам массива. Регистр EBX содержит адрес начала массива, ebx + 4 указывает на второй элемент массива, который загружается в EAX, ebx + 8 — на третий элемент массива, который добавляется к значению в EAX.

Работа со структурами. Регистр EBX содержит адрес структуры, используется для доступа к полям структуры: первое поле — по адресу EBX, второе поле — по адресу ebx + 2.

Индексная адресация. Регистр EBX содержит адрес начала массива, регистр ECX используется как индекс, и ebx + ecx*4 вычисляет адрес третьего элемента массива (поскольку каждый элемент занимает 4 байта). Значение третьего элемента загружается в EAX.

ECX (count register). Традиционно используется в циклах как счетчик итераций.

Один из основных регистров общего назначения в архитектуре x86 и x86-64 процессоров Intel. Это 32-битный регистр, расширенная версия 16-битного регистра CX (Count Register).

Регистр ECX состоит из двух 8-битных регистров: CH (старший байт) и CL (младший байт).

Счётчик циклов — регистр ECX часто используется как счётчик в циклах, особенно в инструкциях повторения (REP).

Указание количества сдвигов или вращений — младший байт регистра ECX (CL) используется для указания количества сдвигов или вращений в соответствующих инструкциях (например, SHL, SHR, ROL, ROR).

Передача аргументов — в некоторых соглашениях о вызовах функций (calling conventions) регистр ECX используется для передачи аргументов.

Пример использования как счётчик циклов: Регистр ECX устанавливается в 5, затем в цикле выполняются операции с элементом массива: увеличивается значение текущего элемента на 1, переходит к следующему элементу. В конце цикла ECX уменьшается на 1, и если ECX не равен нулю, управление передаётся к началу цикла.

Пример использования в сдвиговых операциях: Регистр ECX устанавливается в 4, затем значение загружается в EAX, и EAX сдвигается влево на количество бит, указанное в CL (4 бита).

Ограничения: Регистр ECX не имеет заданного наперёд типа — он может трактоваться как знаковые или беззнаковые целые числа, указатели, булевые значения и так далее. В некоторых соглашениях о вызовах регистр ECX может быть регистром scratch (call clobbered) — это означает, что он не сохраняется при вызовах функций.

EDX (data register). Дополняет eax в операциях умножения и деления, а также участвует в операциях ввода-вывода.

Регистр данных, который используется для хранения результатов промежуточных вычислений и ввода-вывода.

Арифметические операции: При умножении 32-битных чисел результат сохраняется в паре регистров EDX:EAX (старшие 32 бита в EDX, младшие — в EAX).При делении 32-битного числа на 32-битный делитель остаток записывается в EDX, а частное — в EAX.

Ввод-вывод: EDX служит для хранения адреса порта ввода-вывода в командах IN и OUT.

Соглашения о вызовах: В некоторых соглашениях (например, __fastcall) EDX используется для передачи второго параметра функции.

Логические операции: EDX может участвовать в побитовых операциях (AND, OR, XOR) и использоваться для хранения промежуточных данных.

Разделение на части: EDX можно обращаться как к 16-битному регистру DX (старшие 16 бит) и 8-битным DH (старший байт) и DL (младший байт).

Совместимость с другими регистрами: EDX часто используется в паре с EAX, особенно в 32-битных операциях.

Регистр EDX остается важным элементом в низкоуровневом программировании, обеспечивая эффективное выполнение арифметических операций и взаимодействие с аппаратными компонентами. Его гибкость и специализированные функции делают его незаменимым в ассемблерном коде.

Используется для арифметических, логических операций и операций ввода-вывода.

64-битный регистр в архитектуре процессоров x86-64. Представляет собой расширенную версию 32-битного регистра EAX.

Структура регистра:

RAX (64 бита) — основной регистр.
EAX (32 бита) — нижние 32 бита регистра RAX.
AX (16 бит) — нижние 16 бит регистра EAX.

При использовании регистра RAX меняется значение всех трёх частей, а изменение значения подрегистра влияет только на соответствующую часть большего регистра.

Регистр RAX используется для выполнения арифметических и логических операций. Также он применяется для:

Перемещения данных — RAX часто используется как операнд для различных инструкций.

Хранения возвращаемых значений — в большинстве соглашений о вызовах функций для 64-битных систем регистр RAX используется для хранения возвращаемых значений.

Используется для хранения данных и может использоваться как базовый регистр при адресации памяти.

Используется в операциях цикла и как счетчик в командах REP и LOOP.

Используется в арифметических операциях, особенно в умножении и делении.

Используется для указания на исходный адрес при операциях с памятью (например, при копировании данных).

Используется для указания на адрес назначения при операциях с памятью.

Введены в 64-разрядной архитектуре, используются для хранения данных и промежуточных значений.

Указывает на вершину стека.

Используется для доступа к параметрам и локальным переменным в стеке.

Хранит базовый адрес сегмента кода в ОЗУ, откуда процессор считывает команды для выполнения. Если проводить аналогию между кодом и книгой, то CS указывает на номер страницы в книге (программе)

Указывает на следующую инструкцию, которую должен выполнить процессор. Если проводить аналогию между кодом и книгой, то RIP указывает на номер строки на странице, которая указана в CS.

Хранит флаги состояния процессора, отражают состояние различных аспектов выполнения инструкций процессора, таких как результаты арифметических операций, наличие переноса, знак числа, флаги нуля, переполнения и др. Они предназначены для управления логикой выполнения программы, исходя из текущего состояния выполнения инструкций процессора.

Основными являются флаги переноса, нуля, знака и переполнения, которые называют флагами состояния. Как видно, не все биты из 64-х разрядного регистра флагов имеют назначение. Неуказанные биты не используются.

В дополнение к регистрам общего назначения x86-64 предоставляет регистры специального назначения, в том числе восемь регистров для работы с числами с плавающей точкой, реализованных в модуле x87 с плавающей точкой (floating-point unit или FPU). Intel назвала эти регистры ST0 - ST7. Каждый регистр с плавающей точкой имеет ширину 80 бит. В отличие от регистров общего назначения обычная пользовательская программа не может получить к ним прямой доступ.

Также есть шестнадцать 128-битных регистров XMM (XMM0 - XMM15) и набор инструкций SSE/SSE2. Каждый регистр можно настроить как четыре 32-битных регистра с плавающей точкой; два 64-битных регистра двойной точности с плавающей точкой; или шестнадцать 8-битных, восемь 16-битных, четыре 32-битных, два 64-битных или один 128-битный целочисленный регистр. В более поздних вариантах семейства процессоров x86-64 AMD/Intel удвоили размер регистров до 256 бит каждый (переименовав их в YMM0-YMM15), добавив поддержки восьми 32-битных значений с плавающей точкой или четырех 64-битных значений с плавающей точкой двойной точности. (целочисленные операции по-прежнему ограничивались 128 битами).