1.7 英特尔x86-64 CPU系列简介
到目前为止，读者已经学习了一个可以编译并运行的MASM程序。然而，该程序没有执行任何操作，只是将控制权返回到Windows。在进一步学习真正的汇编语言之前，必须先了解硬件方面的知识。读者必须了解英特尔x86-64 CPU系列的基本结构，否则将无法理解机器指令。
英特尔CPU系列通常被归类为冯·诺依曼体系结构的计算机。冯·诺依曼计算机系统包含三个主要的组成部分：中央处理器（CPU）、内存（memory）和输入/输出（I/O）设备。这三个组件通过系统总线（包括地址总线、数据总线和控制总线）互连。图1-1中的方框图显示了这三个组件之间的关系。
CPU通过在地址总线上放置一个数值，来选择一个内存位置或者I/O设备端口位置（每个位置都有一个唯一的数字地址），从而与内存或I/O设备通信。然后，CPU、内存和I/O设备这三个组件通过将数据放在数据总线上，实现数据传输。控制总线包含确定数据传输方向（从内存到I/O设备或从I/O设备到内存）的信号。
图1-1 冯·诺依曼计算机系统的方框图
在CPU中，寄存器（register）用于操作数据。x86-64 CPU的寄存器可分为四种类型：通用寄存器（general-purpose register）、专用应用程序访问寄存器（special-purpose application-accessible register）、段寄存器和专用内核模式寄存器（special-purpose kernel-mode register）。由于段寄存器在现代64位操作系统（例如Windows）中使用不多，因此本书中将不加讨论。专用内核模式寄存器用于编写操作系统、调试器和其他系统级的工具。这种软件构造远远超出了本书的讨论范围。
x86-64（英特尔系列）CPU提供多个通用寄存器供应用程序使用。通用寄存器包括如下几类。
●16个64位寄存器，对应的名称如下：RAX、RBX、RCX、RDX、RSI、RDI、RBP、RSP、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14和R15。
●16个32位寄存器，对应的名称如下：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP、R8D、R9D、R10D、R11D、R12D、R13D、R14D和R15D。
●16个16位寄存器，对应的名称如下：AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP、SP、R8W、R9W、R10W、R11W、R12W、R13W、R14W和R15W。
●20个8位寄存器，对应的名称如下：AL、AH、BL、BH、CL、CH、DL、DH、DIL、SIL、BPL、SPL、R8B、R9B、R10B、R11B、R12B、R13B、R14B和R15B。
遗憾的是，以上列举的68个寄存器都不是独立的寄存器。实际上，x86-64的64位寄存器覆盖在32位寄存器上，32位寄存器覆盖在16位寄存器上，16位寄存器覆盖在8位寄存器上。表1-1显示了这些寄存器之间的关系。
表1-1 x86-64上的通用寄存器
通用寄存器不是独立的寄存器，使得修改其中1个寄存器可能引发对其他寄存器的修改。例如，修改EAX寄存器的内容可能也会正好修改AL、AH、AX和RAX寄存器的内容。这一连锁反应现象需要引起足够的重视。在汇编语言初级程序员编写的程序中，一个常见的错误是寄存器值的损坏，这是程序员没有完全理解表1-1中所示关系的后果。
除通用寄存器外，x86-64还提供专用寄存器，包括在x87浮点单元（floating-point unit，FPU）中实现的8个浮点寄存器（floating-point register）。英特尔将这些寄存器命名为ST（0）到ST（7）。与通用寄存器不同，应用程序不能直接访问这些寄存器，它会将浮点寄存器文件视为一个可以包括8个项的栈，并只访问栈最上面的一个或两个项（有关更多的详细信息，可以参阅6.5节的相关内容）。
每个浮点寄存器的宽度为80位，包含一个扩展精度实数值（以下简称扩展精度）。尽管多年来英特尔在x86-64 CPU中增加了其他浮点寄存器，但FPU寄存器在代码中仍然很常用，因为这些寄存器支持这种80位的浮点格式。
20世纪90年代，英特尔推出了MMX寄存器集和指令，以支持单指令多数据（Single Instruction，Multiple Data，SIMD）操作。MMX寄存器集由8个64位的寄存器组成，覆盖FPU上的ST（0）至ST（7）寄存器。英特尔选择覆盖FPU寄存器，是因为这种方式使得MMX寄存器能够立即与多任务操作系统（例如Windows）兼容，而无须针对这些操作系统进行任何代码更改。遗憾的是，这种选择意味着应用程序不能同时使用FPU指令和MMX指令。
英特尔在x86-64的后续版本中通过添加XMM寄存器集解决了以上问题，因此用户很少看到使用MMX寄存器和指令集的现代应用程序。如果用户真想使用MMX寄存器和指令集，也不是不可以，但还是建议使用XMM寄存器（和指令集），同时将MMX寄存器保持为FPU模式。
为了打破MMX寄存器和FPU寄存器之间冲突带来的限制，AMD/英特尔增加了16个128位的XMM寄存器（XMM0到XMM15）和SSE/SSE2指令集。每个寄存器可以配置为4个32位的浮点寄存器，2个64位的双精度浮点寄存器，或者16个8位、8个16位、4个32位、2个64位或1个128位的整数寄存器。在x86-64 CPU系列的后续版本中，AMD/英特尔将寄存器的大小增加了一倍，每个寄存器的大小变为256位（并将这些寄存器重命名为YMM0到YMM15），以支持8个32位的浮点数值或者4个64位的双精度浮点数值（整数运算仍限制为128位）。
RFLAGS（或FLAGS）寄存器是一个64位寄存器，它封装了多个1位的布尔值（真/假）[1]。RFLAGS寄存器中的大多数位或者是为内核模式（操作系统）函数保留的位，或者是应用程序程序员不关心的位。编写汇编语言应用程序的程序员特别关注其中的8个位（或称为标志）：溢出（overflow）、方向（direction）、中断（interrupt）[2]、符号（sign）、零（zero）、辅助进位（auxiliary carry）、奇偶校验（parity）以及进位（carry）标志。图1-2显示了RFLAGS寄存器低16位中各个标志位的布局。
图1-2 RFLAGS寄存器的布局（位于RFLAGS寄存器的低16位）
在图1-2中，4个标志特别重要，分别是溢出、进位、符号和零标志，统称为条件码（condition code）[3]。这些标志的状态允许用户测试先前计算的结果。例如，比较两个值后，条件码标志将告知用户第一个值是否小于、等于或大于第二个值。
对于那些刚刚学习汇编语言的人而言，他们惊讶于一个重要事实，即x86-64 CPU上几乎所有的计算都涉及寄存器。例如，为了将两个变量相加并将总和存储到第三个变量中，就必须将其中一个变量加载到寄存器中，将第二个操作数与寄存器中的数值相加，然后将寄存器中的值存储到目标变量中。在几乎所有的计算中，都需要以寄存器作为中介。
用户还应该知道，尽管寄存器被称为通用寄存器，但用户不能将任何寄存器用于任何目的。所有x86-64寄存器都有自己的特殊用途，从而限制了寄存器在某些上下文中的使用。例如，RSP寄存器有一个非常特殊的用途，可以有效地防止用户将其用于任何其他用途（该寄存器是堆栈指针）。同样，RBP寄存器也有一个特殊用途，限制了其作为通用寄存器的作用。目前，用户应该避免使用RSP和RBP寄存器进行一般的计算任务；另外，请记住，其余寄存器在程序中不能完全互换。