IA32寄存器与x86-64寄存器的区别

IA32寄存器

一个IA32CPU包含一组8个存储32位值的通用寄存器，这些寄存器用来存储整数数据和指针：

31-0	15-0	15-8	7-0	使用惯例
%eax	%ax	%ah	%al	调用者保存
%ecx	%cx	%ch	%cl	调用者保存
%edx	%dx	%dh	%dl	调用者保存
%ebx	%bx	%bh	%bl	被调用者保存
%esi	%si	无	无	被调用者保存
%edi	%di	无	无	被调用者保存
%ebp	%bp	无	无	不得占用
%esp	%sp	无	无	不得占用

第一行数字代表其下方对应的寄存器存储的位数，例如寄存器%eax是32位的，从0到31正好32位，%ax是16位寄存器，从0到15正好是16位。注意，如果读取%eax的8-15位则读取的是%ah，其他情况类似。

程序可以独立地读取前四个寄存器的2个低位字节，即可以独立地读取前四个寄存器的0-7位和8-15位。而后四个则不能。表中无代表对应位置无寄存器。

其中0-7位和8-15位的寄存器可以存储一个字节的数据，如char型数据；0-15位的寄存器可以存储两个字节的数据，如short类型的数据；0-31位的寄存器可以存储四个字节的数据，如int型数据。还有如long类型的数据可以用寄存器%edx存储高32位，用%eax存储低32位的数据。

寄存器%eax，%ecx和%edx由调用者保存，而寄存器%ebx，%esi和%edi由被调用者保存。就是说如果一个函数调用另一个函数，由于寄存器数量有限(只有8个)，如果函数中参数或局部变量过多，寄存器就不够用了，所以要把寄存器中保存的值保存到栈中防止数据丢失，然后该寄存器就可以用来存储别的数据了，那把这个活交给谁呢？所以就规定前三个寄存器由调用者保存，接下来的三个由被调用者保存。

而寄存器%ebp和%esp有特殊用途，%ebp保存帧指针(基地址，base pointer)，%esp保存栈指针(stack pointer)。程序栈中每调用一个函数就会创建一个栈帧，栈是向下增长的。寄存器%ebp保存一个栈帧的起始地址(即基地址)，一般来说函数中的局部变量靠%ebp加上偏移量寻找；寄存器%esp保存指向栈顶的指针。

寄存器%eax和寄存器%edx也有特殊用途，%eax一般用于保存函数的返回值，也用来保存64位数据的低32位；%edx用来保存64位数据的高32位。

CPU中只有这八个寄存器吗？显然不是，IA32还有8个80位的浮点寄存器。还有很多特殊用途的寄存器，比如控制寄存器%cr0，%cr2，%cr3和%cr4；还有debug寄存器%dr0，%dr1，%dr2和%dr3；段寄存器%cs, %ds, %es, %fs, %gs和%ss；还有全局和局部描述符表的虚拟寄存器%gdtr(global descriptor table register)和%ldtr(local descriptor table register)。这些寄存器在操作系统中都是很重要的，在这里不再赘述，想知道的可以上网查查。

x86-64寄存器

x86-64最初由AMD提出并命名，将IA32扩展到64位并且新增加了8个寄存器，到达16个通用目的寄存器。这大大提高了机器的性能。扩展到64位可以大大扩大机器可以使用的虚拟地址空间的大小。x86-64的寄存器无论只在数量上还是在使用方法上都与IA32有很大不同，先看下表：

0-63	0-31	0-15	8-15	0-7	使用惯例
%rax	%eax	%ax	%ah	%al	保存返回值
%rbx	%ebx	%bx	%bh	%bl	被调用者保存
%rcx	%ecx	%cx	%ch	%cl	第4个参数
%rdx	%edx	%dx	%dh	%dl	第3个参数
%rsi	%esi	%si	无	%sil	第2个参数
%rdi	%edi	%di	无	%dil	第1个参数
%rbp	%ebp	%bp	无	%bpl	被调用者保存
%rsp	%esp	%sp	无	%spl	栈指针
%r8	%r8d	%r8w	无	%r8b	第5个参数
%r9	%r9d	%r9w	无	%r9b	第6个参数
%r10	%r10d	%r10w	无	%r10b	调用者保存
%r11	%r11d	%r11w	无	%r11b	调用者保存
%r12	%r12d	%r12w	无	%r12b	被调用者保存
%r13	%r13d	%r13w	无	%r13b	被调用者保存
%r14	%r14d	%r14w	无	%r14b	被调用者保存
%r15	%r15d	%r15w	无	%r15b	被调用者保存

上表的格式说明和IA32一样，可以看到x86-64共有16个寄存器(16行)，可以独立访问前四个寄存器的8-15位，而其他寄存器不可以。

最后一列说明该寄存器的使用惯例，可以看到如果函数参数不超过6个则可以保存在寄存器中而不用转存在内存中，如果函数的参数的个数超过6个则其余的参数须保存在栈中。

还可以看见，x86-64并没有帧指针，而只用栈指针(%rsp)，作为替代，x86-64对栈位置的引用相对于栈指针(而IA32相对于帧指针%ebp)，大多数函数在调用开始时分配所需要的整个栈存储，并保持栈指针指向固定的位置。函数最多可以访问当前栈指针值128个字节的栈上的存储空间，也就是说x86-64的程序可以使用当前栈指针之外128字节范围内的数据。

在IA32中栈指针会随着值的压入和弹出不断前后移动，所以在IA32中通过帧指针(%ebp)来访问栈中的数据。但是x86-64过程中的栈帧通常有固定的大小，在函数开始时通过减少栈指针(%rsp)来设置。在调用过程中栈指针保持固定的位置，使得可以通过相对于栈指针的偏移量来访问数据。因此就不再需要帧指针了，可以把%rbp用作通用寄存器。

x86-64主要特性如下：

1.指针和长整数是64位长(IA32的指针是32位长)，整数算术运算支持8，16，32，和64位数据类型。

2.通用目的寄存器由8个扩展到16个。

3.许多程序状态都保存在寄存器中而不是栈上(因为寄存器数量多了)。整型和指针类型的过程参数(最多6个)通过寄存器传递。减少了对栈的访问，从而提高了效率。

4.如果可能，条件操作用条件传送指令实现，这样会比传统的分支代码得到更好的性能。

5.浮点操作用面向寄存器指令集来实现，而不用基于IA32支持的基于栈的方法来实现。