为什么设计CS:IP寄存器？

认识寄存器

寄存器的官方叫法有很多，Wiki 上面的叫法是 ， 也可以称为 CPU ，计算机中经常有一个东西多种叫法的情况，反正你知道都说的是寄存器就可以了。

认识寄存器之前，我们首先先来看一下 CPU 内部的构造。

CPU 从逻辑上可以分为 3 个模块，分别是控制单元、运算单元和存储单元，这三部分由 CPU 内部总线连接起来。

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的 CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

计算机架构中的寄存器

寄存器是一块速度非常快的计算机内存，下面是现代计算机中具有存储功能的部件比对，可以看到，寄存器的速度是最快的，同时也是造价最高昂的。

我们以 intel 8086 处理器为例来进行探讨，8086 处理器是 x86 架构的前身。在 8086 后面又衍生出来了 8088 。

在 8086 CPU 中，地址总线达到 20 根，因此最大寻址能力是 2^20 次幂也就是 1MB 的寻址能力，8088 也是如此。

在 8086 架构中，所有的内部寄存器、内部以及外部总线都是 16 位宽，可以存储两个字节，因为是完全的 16 位微处理器。8086 处理器有 14 个寄存器，每个寄存器都有一个特有的名称，即

AX，BX，CX，DX，SP，BP，SI，DI，IP，FLAG，CS，DS，SS，ES

这 14 个寄存器有可能进行具体的划分，按照功能可以分为三种

接下来我们将焦点放在CS:IP寄存器上。

CS:IP 寄存器 为什么设计CS:IP寄存器？

初学者可能会有疑问，为什么要这么折腾？为什么不直接设计一个寄存器取代CS和IP寄存器？这就涉及到CPU的发展历史了，这里我们先说一句特别的感悟：CPU的发展是连续迭代的过程，新的设计要兼容旧的设计。之前一直不明白这句话的含义，或者是忽略了这句话，我们知道CPU是一种神奇的发明，可以说，CPU是现代所有科技的大脑和帮手，每一代的CPU都会有数以千万级的硬件产品使用，除非是上帝，任何人也不能说一下子就能设计永远不过时的架构，所以CPU是一个逐步迭代的产品，迭代的原因就是旧的架构或资源过时了，需要新的架构或者优化，但是我们在设计新的CPU架构时，必须也不得不考虑兼容性，兼容上一代的产品，这虽然给设计人员增加了设计难度，但是也是不得已为之，好了，上面说了很多正确的废话，接下来简单的说下为什么需要CS和IP寄存器，我们先说一下历史，不严谨的说：

在上古CPU中，类似于现在的小型单片机，是没有CS和IP寄存器的，因为内存少的可怜，比如16位的CPU，最大就能访问2^16 byte，即64Kb的内存，也就是地址线、数据线、寄存器都是16位，访问内容完全都是统一的，一点都不会乱，而且那会儿64Kb的内存空间已经足够用了。

随着应用程序的发展，对内存的需求也更多了（2021年，4G内存都沦落到乞丐配置了），所以相比上一代的64Kb，8086处理器的设计目标是1M的大内存空间，相当于提升到上一代的16倍，1M的空间对应的地址总线就是20位。

如上所属，愿望是很好的，一个很现实的问题就摆在Intel设计人员面前，地址线宽度是20位，但是CPU中的算数逻辑运算单元(ALU) 仍然是16位，而且很尴尬的是，当时的制造技术很难把ALU加工到20位，即便是有能力加工到20位，也无法兼容上一代的CPU了，当然也有其他的方案，比如增设一些20位的指令和寄存器，专门用于地址的运算和操作，但是那样又造成CPU内存结构的不均匀，基于上面的原因，Intel的工程师设计了一种在当时看来很巧妙的方法，即分段方法。也就是前面提到的CS:IP结合的算法，CS和IP都是16位，CS左移4位，然后与IP相加，得到20位的地址。这样就实现了从16位内存地址到20位实际地址的转换。

参考文章