x86-64 CPU 레지스터(Register)의 개념 및 종류

레지스터란?

CPU의 빠른 데이터 처리를 돕기 위해 사용되는 임시저장공간으로, 처리중인 데이터나 처리 결과가 담기게 된다.
레지스터의 종류에는 범용 레지스터, 세그먼트 레지스터, 포인터 레지스터, 인덱스 레지스터, 플래그 레지스터가 있다.
 

레지스터의 크기

 
32bit, 64bit 운영체제에서 32bit, 64bit 는 레지스터 및 데이터 경로의 크기 를 의미한다.
위 예시에서 AH 는 8bit 운영체제와 호환되는 레지스터라고 이해하면 된다. 
 
운영체제의 발전에 따라, 수행해야할 기능이 많아지면서
많은 정보를 다룰 수 있도록 새로운 레지스터가 추가되고, 크기도 점점 커졌다.
 
*  E 는 Extended 의 약자. R은 왜 R인지 모르겠다..
* CPU의 아키텍쳐에 따라 레지스터의 종류가 다를 수 있다.

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범용 레지스터

범용 레지스터는 연산 결과의 임시 저장, 산술 및 논리 연산, 주소 색인 등 다양한 용도로 사용되는 다목적 레지스터이다.
종류는 EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP, EBP, EIP 가 있다.

하지만 이는 관례적으로 사용되는 용도별로 나눠놓은 것으로

범용 레지스터라는 이름과 같이 프로그래머의 의도, 또는 규약(stdcall, Thiscall...) 따라 다르게 사용될 수 있다.

 

• EAX/RAX (Accumulator Register, 누산기 레지스터)
  산술, 논리 연산을 담당하는 레지스터로, 함수의 반환값이 이 레지스터에 저장된다.
  
  • EAX 레지스터의 종류
    RAX: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 EAX)
    EAX: 32비트 누산기 레지스터
    AX: 16비트의 EAX 레지스터 하위 부분
    AH: AX의 상위 8비트
    AL: AX의 하위 8비트
    
    
• EBX/RBX (Base Register, 베이스 레지스터)메모리 주소를 저장하기 위해 사용되는 레지스터.
  종종 배열이나 문자열과 같은 데이터 구조에 접근하기 위한 기준 포인터로 사용된다.
  
  
  • EBX 레지스터의 종류
    RBX: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 EBX)
    EBX: 32비트 베이스 레지스터
    BX: 16비트의 EBX 레지스터 하위 부분
    BH: BX의 상위 8비트
    BL: BX의 하위 8비트
    
    
• ECX/RCX (Count Register, 카운트 레지스터)
  반복 작업에서 카운터 역할을 수행하는 레지스터이다.
  loop 명령어 사용시 레지스터의 값을 하나씩 감소시키며, 0이 될때까지 반복 작업을 수행한다.
  
  
  • ECX 레지스터의 종류
    RCX: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 ECX)
    ECX: 32비트 카운트 레지스터
    CX: 16비트의 ECX 레지스터 하위 부분
    CH: CX의 상위 8비트
    CL: CX의 하위 8비트
    
    
• EDX/RDX (Data Register, 데이터 레지스터)
  EAX 레지스터와 함께 사용하여 큰 수를 연산을 하거나, 그 결과를 저장할 수 있는 레지스터이다.
  64bit 더블워드 연산을 수행할 때에도 사용 가능하다. (div, mul)
  
  
  • EDX 레지스터의 종류
    RDX: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 EDX)
    EDX: 32비트 데이터 레지스터
    DX: 16비트의 EDX 레지스터 하위 부분
    DH: DX의 상위 8비트
    DL: DX의 하위 8비트

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인덱스 레지스터

메모리 내의 데이터 접근 및 조작에 특화된 레지스터로, SI, DI 는 x86 아키텍쳐에서 범용 레지스터로 분류되기도 한다.

• ESI/RSI (Source Index, 소스 인덱스 레지스터)
  데이터 복사, 문자열 연산, 입력/출력 처리 등의 작업에서 소스 데이터의 주소를 가리키는 데 사용된다.
  
  
  • ESI 레지스터의 종류
    RSI: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 ESI)
    ESI: 32비트 소스 인덱스 레지스터
    SI: 16비트의 ESI 레지스터 하위 부분
    
    
• EDI/RDI (Destination Index, 목적지 인덱스 레지스터)
  데이터 복사, 문자열 처리, 배열조작 등의 작업에서 목적지 데이터의 메모리 주소를 가리키는데 사용된다.
  
  
  • EDI 레지스터의 종류
    RDI: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 EDI)
    EDI: 32비트 목적지 인덱스 레지스터
    DI: 16비트의 EDI 레지스터 하위 부분

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포인터 레지스터

스택과 프로그램의 실행 흐름 관리에 사용되는 레지스터로, 메모리 주소가 저장된다.

• ESP/RSP (Stack Pointer, 스택 포인터 레지스터)
  프로그램의 스택 메모리 내에서, 현재 스택 최상단 주소를 저장하는 레지스터이다.
  함수 호출, 지역 변수 관리, 함수 내 데이터 저장 및 복구 등의 작업에서 필수적으로 사용된다.
  
  
  • ESP 레지스터의 종류
    RSP: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 ESP)
    ESP: 32비트 스택 포인터 레지스터.
    SP: 16비트의 ESP 레지스터 하위 부분.
    
    
• EBP/RBP (Base Pointer, 베이스 포인터 레지스터)
  함수내의 지역 변수와 인자에 일관되고, 쉽게 접근하기 위해 사용되는 포인터 역할 레지스터이다.
  스택 내에서 접근할 부분의 메모리 주소를 저장한다.
  
  
  • EBP 레지스터의 종류
    RBP: 64비트 (x86-64 아키텍처에서의 확장된 EBP).
    EBP: 32비트 베이스 포인터 레지스터.
    BP: 16비트의 EBP 레지스터 하위 부분.
    
    
• EIP/RIP (Instruction Pointer, 명령 포인터)
  다음에 실행될 명령의 메모리 주소를 저장한다. 
  
  
  • EIP 레지스터의 종류
    RIP: 64비트 (x86-64 아키텍처)
    EIP: 32비트

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세그먼트 레지스터

메모리를 다른 세그먼트로 나누어 관리하고, 각 세그먼트에 대한 기준 주소를 저장한다.

세그먼트를 이용함으로써, 물리 메모리를 효율적으로 사용하고 프로그램 간 메모리 격리를 가능하게 한다.

 

• CS (Code Segment, 코드 세그먼트): 현재 프로그램의 코드가 포함된 세그먼트의 주소를 저장하는 레지스터
• DS (Data Segment, 데이터 세그먼트): 데이터가 포함된 세그먼트의 주소를 저장하는 레지스터
• SS (Stack Segment, 스택 세그먼트): 스택이 포함된 세그먼트의 주소를 저장하는 레지스터
• ES, FS, GS: 추가적인 데이터 세그먼트 주소를 저장하는 레지스터

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플래그 레지스터

연산의 결과를 나타내는 플래그들을 포함하고, 특정 프로세서 연산을 제어한다.

• RFLAGS: 64비트 (x86-64 아키텍처)
• EFLAGS: 32비트

1. Zero Flag(ZF)
   목적: 작업 결과가 0일 경우 설정한다.
   사용: JZ(Jump-if-zero) 또는 JNZ(Jump-if-not-zero)와 같은 조건부 분기 지시에 일반적으로 사용된다.
   
   
2. Sign Flag(SF)
   목적: 작업 결과가 음수일 경우 설정한다.
   사용: 부호화된 산술 연산에서 결과의 부호를 나타낸다.
   
   
3. Carry Flag(CF)
   목적: 산술 연산에서 가장 중요한 비트의 수행이 발생할 경우 설정한다(부호가 없는 연산에서 유용함).
   사용: 최소 비트에서 다음 비트로의 오버플로를 나타내기 위해 다중 정밀도 산술에서 사용된다.
   
   
4. Overflow Flag(OF)
   목적: 산술 연산으로 인해 부호화된 오버플로가 발생할 경우 설정한다. 즉, 결과가 너무 커서 지정된 비트 수로 표시할 수 없다.
   사용: 서명된 산술 연산에 중요하다.
   
   
5. Parity Flag(PF)
   목적: 결과에 설정된 비트 수가 짝수인지 설정한다.
   사용: 오류 검사 및 단순 패리티 검사에 자주 사용된다.
   
   
6. Auxiliary Carry Flag(AC)
   목적: BCD(Binary Coded Decimal) 산술에서 사용되는 결과의 하위 절반부터 수행되는 수행이 있는지 설정한다.
   용도: BCD 계산에서 특화된 산술 연산 및 특정 유형의 보정에 유용하다.
   
   
7. Interrupt Enable/Disable Flag(IF)
   목적: 하드웨어 인터럽트를 활성화하거나 비활성화하는 데 사용된다.
   사용: CPU가 인터럽트 처리를 제어할 수 있다.
   
   
8. Direction Flag(DF)
   목적: 문자열 작업에서 처리 방향(증가 또는 감소)을 제어하기 위해 사용된다.
   사용: 문자열 및 메모리 작업에서 데이터 블록을 통한 이동 방향을 제어한다.

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운영체제별 레지스터 종류

8-bit (예: Intel 8080,  Zilog Z80)	A (Accumulator), B, C, D, E, H, L, SP (Stack Pointer), PC (Program Counter)
16-bit (예: Intel 8086/8088)	AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, CS, DS, ES, SS, IP (Instruction Pointer), Flags
32-bit (예: Intel 80386)	EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP, CS, DS, ES, SS, FS, GS, EIP (Extended IP), EFlags
64-bit (예: x86-64 아키텍처)	RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, CS, DS, ES, SS, FS, GS, RIP (Register IP), RFlags, R8-R15

 
 
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