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第17章-x86-64寄存器

本文轉載自   查看原文   2021-09-07 10:09   365 

不同的CPU都能夠解釋的機器語言的體系稱為指令集架構（ISA，Instruction Set Architecture），也可以稱為指令集（instruction set）。Intel將x86系列CPU之中的32位CPU指令集架構稱為IA-32，IA是“Intel Architecture”的簡稱，也可以稱為i386、x86-32。AMD等於Intell提出了x86系列的64位擴展，所以由AMD設計的x86系列的64位指令集架構稱為AMD64。后來Intel在自己的CPU中加入和AMD64幾乎相同的指令集，稱為Intel 64的指令集。AMD64和Intel 64可以統稱為x86-64。

x86-64的所有寄存器都是與機器字長（數據總線位寬）相同，即64位的，x86-64將x86的8個32位通用寄存器擴展為64位（eax、ebx、ecx、edx、eci、edi、ebp、esp），並且增加了8個新的64位寄存器（r8-r15），在命名方式上，也從”exx”變為”rxx”，但仍保留”exx”進行32位操作，下表描述了各寄存器的命名和作用。

描述

32位

64位

通用寄存器組

eax

rax

ecx

rcx

edx

rdx

ebx

rbx

esp

rsp

ebp

rbp

esi

rsi

edi

rdi

-

r8~r15

浮點寄存器組

st0~st7

st0~st7

XMM寄存器組

XMM0~XMM7

XMM0~XMM15 

其中的%esp與%ebp有特殊用途，用來保存指向程序棧中特定位置的指針。

另外還有eflags寄存器，通過位來表示特定的含義，如下圖所示。

在HotSpot VM中，表示寄存器的類都繼承自AbstractRegisterImpl類，這個類的定義如下：

源代碼位置：hotspot/src/share/vm/asm/register.hpp

class AbstractRegisterImpl;
typedef AbstractRegisterImpl* AbstractRegister;

class AbstractRegisterImpl {
 protected:
  int value() const  { return (int)(intx)this; }
};　

AbstractRegisterImpl類的繼承體系如下圖所示。

另外還有個ConcreteRegisterImpl類也繼承了AbstractRegisterImpl，這個灰與C2編譯器的實現有關，這里不做過多講解。

1、RegisterImpl類

RegisterImpl類用來表示通用寄存器，類的定義如下：

源代碼位置：cpu/x86/vm/register_x86.hpp

// 使用Register做為RegisterImpl的簡稱
class RegisterImpl;
typedef RegisterImpl* Register;

class RegisterImpl: public AbstractRegisterImpl {
 public:
  enum {
    number_of_registers      = 16,
    number_of_byte_registers = 16
  };
  // ...
};

對於64位來說，通用寄存器的位寬為64位，也可以將eax、ebx、ecx和edx的一部分當作8位寄存器來使用，所以可以存儲字節的寄存器數量為4。

在HotSpot VM中定義寄存器，如下：

源代碼位置：hotspot/src/cpu/x86/vm/register_x86.hpp

CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, noreg, (-1)); // noreg_RegisterEnumValue = ((-1))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rax,    (0)); // rax_RegisterEnumValue = ((0))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rcx,    (1)); // rcx_RegisterEnumValue = ((1))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rdx,    (2)); // rdx_RegisterEnumValue = ((2))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rbx,    (3)); // rbx_RegisterEnumValue = ((3))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rsp,    (4)); // rsp_RegisterEnumValue = ((4))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rbp,    (5)); // rbp_RegisterEnumValue = ((5))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rsi,    (6)); // rsi_RegisterEnumValue = ((6))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, rdi,    (7)); // rdi_RegisterEnumValue = ((7))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r8,     (8)); // r8_RegisterEnumValue = ((8))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r9,     (9)); // r9_RegisterEnumValue = ((9))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r10,   (10)); // r10_RegisterEnumValue = ((10))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r11,   (11)); // r11_RegisterEnumValue = ((11))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r12,   (12)); // r12_RegisterEnumValue = ((12))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r13,   (13)); // r13_RegisterEnumValue = ((13))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r14,   (14)); // r14_RegisterEnumValue = ((14))
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(Register, r15,   (15)); // r15_RegisterEnumValue = ((15))

宏CONSTANT_REGISTER_DECLARATION定義如下：

源代碼位置：hotspot/src/share/vm/asm/register.hpp

#define CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(type, name, value)   \
  extern const type name;                                  \
  enum { name##_##type##EnumValue = (value) }

經過宏擴展后如下：

extern const Register  rax;
enum { rax_RegisterEnumValue = ((0)) }
extern const Register  rcx;
enum { rcx_RegisterEnumValue = ((1)) }
extern const Register  rdx;
enum { rdx_RegisterEnumValue = ((2)) }
extern const Register  rbx;
enum { rbx_RegisterEnumValue = ((3)) }
extern const Register  rsp;
enum { rsp_RegisterEnumValue = ((4)) }
extern const Register  rbp;
enum { rbp_RegisterEnumValue = ((5)) }
extern const Register  rsi;
enum { rsi_RegisterEnumValue = ((6)) }
extern const Register  rsi;
enum { rdi_RegisterEnumValue = ((7)) }
extern const Register  r8;
enum { r8_RegisterEnumValue = ((8)) }
extern const Register  r9;
enum { r9_RegisterEnumValue = ((9)) }
extern const Register  r10;
enum { r10_RegisterEnumValue = ((10)) }
extern const Register  r11;
enum { r11_RegisterEnumValue = ((11)) }
extern const Register  r12;
enum { r12_RegisterEnumValue = ((12)) }
extern const Register  r13;
enum { r13_RegisterEnumValue = ((13)) }
extern const Register  r14;
enum { r14_RegisterEnumValue = ((14)) }
extern const Register  r15;
enum { r15_RegisterEnumValue = ((15)) }

如上的枚舉類給寄存器指定了一個常量值。

在cpu/x86/vm/register_definitions_x86.cpp文件中定義的寄存器如下：

const Register  noreg = ((Register)noreg_RegisterEnumValue)
const Register  rax =   ((Register)rax_RegisterEnumValue)
const Register  rcx =   ((Register)rcx_RegisterEnumValue)
const Register  rdx =   ((Register)rdx_RegisterEnumValue)
const Register  rbx =   ((Register)rbx_RegisterEnumValue)
const Register  rsp =   ((Register)rsp_RegisterEnumValue)
const Register  rbp =   ((Register)rbp_RegisterEnumValue)
const Register  rsi =   ((Register)rsi_RegisterEnumValue)
const Register  rdi =   ((Register)rdi_RegisterEnumValue)
const Register  r8 =  ((Register)r8_RegisterEnumValue)
const Register  r9 =  ((Register)r9_RegisterEnumValue)
const Register  r10 = ((Register)r10_RegisterEnumValue)
const Register  r11 = ((Register)r11_RegisterEnumValue)
const Register  r12 = ((Register)r12_RegisterEnumValue)
const Register  r13 = ((Register)r13_RegisterEnumValue)
const Register  r14 = ((Register)r14_RegisterEnumValue)
const Register  r15 = ((Register)r15_RegisterEnumValue)

當我們需要使用通用寄存器時，通過rax、rcx等變量引用就可以了。

2、FloatRegisterImpl

在HotSpot VM中，使用FloatRegisterImpl來表示浮點寄存器，此類的定義如下：

源代碼位置：hotspot/src/cpu/x86/vm/register_x86.hpp

// 使用FloatRegister做為簡稱
class FloatRegisterImpl;
typedef FloatRegisterImpl* FloatRegister;

class FloatRegisterImpl: public AbstractRegisterImpl {
 public:
  enum {
    number_of_registers = 8
  };
  // ...
}

浮點寄存器有8個，分別是st0~st7，這是8個80位寄存器。

這里需要注意的是，還有一種寄存器MMX，MMX並非一種新的寄存器，而是借用了80位浮點寄存器的低64位，也就是說，使用MMX指令集，會影響浮點運算！

3、MMXRegisterImpl

MMX 為一種 SIMD 技術，即可通過一條指令執行多個數據運算，共有8個64位寄存器（借用了80位浮點寄存器的低64位），分別為mm0 – mm7，他與其他普通64位寄存器的區別在於通過它的指令進行運算，可以同時計算2個32位數據，或者4個16位數據等等，可以應用為圖像處理過程中圖形 顏色的計算。

MMXRegisterImpl類的定義如下：

class MMXRegisterImpl;
typedef MMXRegisterImpl* MMXRegister;

MMX寄存器的定義如下：

CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mnoreg , (-1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx0 , ( 0));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx1 , ( 1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx2 , ( 2));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx3 , ( 3));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx4 , ( 4));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx5 , ( 5));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx6 , ( 6));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(MMXRegister, mmx7 , ( 7));

宏擴展后如下：

extern const MMXRegister  mnoreg;
enum { mnoreg_MMXRegisterEnumValue = ((-1)) }
extern const MMXRegister  mmx0;
enum { mmx0_MMXRegisterEnumValue = (( 0)) }
extern const MMXRegister  mmx1;
enum { mmx1_MMXRegisterEnumValue = (( 1)) }
extern const MMXRegister  mmx2;
enum { mmx2_MMXRegisterEnumValue = (( 2)) }
extern const MMXRegister  mmx3;
enum { mmx3_MMXRegisterEnumValue = (( 3)) }
extern const MMXRegister  mmx4;
enum { mmx4_MMXRegisterEnumValue = (( 4)) }
extern const MMXRegister  mmx5;
enum { mmx5_MMXRegisterEnumValue = (( 5)) }
extern const MMXRegister  mmx6;
enum { mmx6_MMXRegisterEnumValue = (( 6)) }
extern const MMXRegister  mmx7;
enum { mmx7_MMXRegisterEnumValue = (( 7)) }

MMX Pentium以及Pentium II之后的CPU中有從mm0到mm7共8個64位寄存器。但實際上MMX寄存器和浮點數寄存器是共用的，即無法同時使用浮點數寄存器和MMX寄存器。　　

cpu/x86/vm/register_definitions_x86.cpp文件中定義的寄存器變量如下：

const MMXRegister  mnoreg = ((MMXRegister)mnoreg_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx0 =   ((MMXRegister)mmx0_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx1 =   ((MMXRegister)mmx1_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx2 =   ((MMXRegister)mmx2_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx3 =   ((MMXRegister)mmx3_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx4 =   ((MMXRegister)mmx4_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx5 =   ((MMXRegister)mmx5_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx6 =   ((MMXRegister)mmx6_MMXRegisterEnumValue)
const MMXRegister  mmx7 =   ((MMXRegister)mmx7_MMXRegisterEnumValue)

當我們需要使用MMX寄存器時，通過mmx0、mmx1等變量引用就可以了。

4、XMMRegisterImpl類

XMM寄存器是SSE指令用的寄存器。Pentium iii以及之后的CPU中提供了xmm0到xmm7共8個128位寬的XMM寄存器。另外還有個mxcsr寄存器，這個寄存器用來表示SSE指令的運算狀態的寄存器。在HotSpot VM中，通過XMMRegisterImpl類來表示寄存器。這個類的定義如下：

源代碼位置：hotspot/src/share/x86/cpu/vm/register_x86.hpp

// 使用XMMRegister寄存器做為簡稱
class XMMRegisterImpl;
typedef XMMRegisterImpl* XMMRegister;

class XMMRegisterImpl: public AbstractRegisterImpl {
 public:
  enum {
    number_of_registers = 16
  };
  ...
}

XMM寄存器的定義如下：

CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xnoreg , (-1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm0 ,   ( 0));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm1 ,   ( 1));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm2 ,   ( 2));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm3 ,   ( 3));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm4 ,   ( 4));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm5 ,   ( 5));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm6 ,   ( 6));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm7 ,   ( 7));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm8,      (8));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm9,      (9));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm10,    (10));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm11,    (11));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm12,    (12));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm13,    (13));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm14,    (14));
CONSTANT_REGISTER_DECLARATION(XMMRegister, xmm15,    (15));

經過宏擴展后為：

extern const XMMRegister  xnoreg;
enum { xnoreg_XMMRegisterEnumValue = ((-1)) }
extern const XMMRegister  xmm0;
enum { xmm0_XMMRegisterEnumValue = (( 0)) }
extern const XMMRegister  xmm1;
enum { xmm1_XMMRegisterEnumValue = (( 1)) }
extern const XMMRegister  xmm2;
enum { xmm2_XMMRegisterEnumValue = (( 2)) }
extern const XMMRegister  xmm3;
enum { xmm3_XMMRegisterEnumValue = (( 3)) }
extern const XMMRegister  xmm4;
enum { xmm4_XMMRegisterEnumValue = (( 4)) }
extern const XMMRegister  xmm5;
enum { xmm5_XMMRegisterEnumValue = (( 5)) }
extern const XMMRegister  xmm6;
enum { xmm6_XMMRegisterEnumValue = (( 6)) }
extern const XMMRegister  xmm7;
enum { xmm7_XMMRegisterEnumValue = (( 7)) }
extern const XMMRegister  xmm8;
enum { xmm8_XMMRegisterEnumValue = ((8)) }
extern const XMMRegister  xmm9;
enum { xmm9_XMMRegisterEnumValue = ((9)) }
extern const XMMRegister  xmm10;
enum { xmm10_XMMRegisterEnumValue = ((10)) }
extern const XMMRegister  xmm11;
enum { xmm11_XMMRegisterEnumValue = ((11)) }
extern const XMMRegister  xmm12;
enum { xmm12_XMMRegisterEnumValue = ((12)) }
extern const XMMRegister  xmm13;
enum { xmm13_XMMRegisterEnumValue = ((13)) }
extern const XMMRegister  xmm14;
enum { xmm14_XMMRegisterEnumValue = ((14)) }
extern const XMMRegister  xmm15;
enum { xmm15_XMMRegisterEnumValue = ((15)) }

在cpu/x86/vm/register_definitions_x86.cpp文件中定義的寄存器變量如下：

const XMMRegister  xnoreg = ((XMMRegister)xnoreg_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm0 =   ((XMMRegister)xmm0_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm1 =   ((XMMRegister)xmm1_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm2 =   ((XMMRegister)xmm2_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm3 =   ((XMMRegister)xmm3_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm4 =   ((XMMRegister)xmm4_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm5 =   ((XMMRegister)xmm5_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm6 =   ((XMMRegister)xmm6_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm7 =   ((XMMRegister)xmm7_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm8 =   ((XMMRegister)xmm8_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm9 =   ((XMMRegister)xmm9_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm10 =  ((XMMRegister)xmm10_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm11 =  ((XMMRegister)xmm11_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm12 =  ((XMMRegister)xmm12_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm13 =  ((XMMRegister)xmm13_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm14 =  ((XMMRegister)xmm14_XMMRegisterEnumValue)
const XMMRegister  xmm15 =  ((XMMRegister)xmm15_XMMRegisterEnumValue)

當我們需要使用XMM寄存器時，直接通過xmm0、xmm1等變量引用就可以了。

 

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