3.2 寄存器

x86-64 架构提供了 16 个通用寄存器，每个 64 位宽。寄存器是 CPU 内部最快的存储层次，在指令执行中扮演核心角色。

16 个通用寄存器

64位	32位	16位	8位	用途
%rax	%eax	%ax	%al	返回值
%rbx	%ebx	%bx	%bl	被调用者保存
%rcx	%ecx	%cx	%cl	第 4 个参数
%rdx	%edx	%dx	%dl	第 3 个参数
%rsi	%esi	%si	%sil	第 2 个参数
%rdi	%edi	%di	%dil	第 1 个参数
%rbp	%ebp	%bp	%bpl	基址指针（被调用者保存）
%rsp	%esp	%sp	%spl	栈指针（特殊管理）
%r8	%r8d	%r8w	%r8b	第 5 个参数
%r9	%r9d	%r9w	%r9b	第 6 个参数
%r10	%r10d	%r10w	%r10b	调用者保存
%r11	%r11d	%r11w	%r11b	调用者保存
%r12	%r12d	%r12w	%r12b	被调用者保存
%r13	%r13d	%r13w	%r13b	被调用者保存
%r14	%r14d	%r14w	%r14b	被调用者保存
%r15	%r15d	%r15w	%r15b	被调用者保存

寄存器的子集访问

x86-64 兼容早期 x86 架构，允许通过不同名称访问同一个寄存器的低字节部分：

# 以下操作都影响 %rax，但操作宽度不同
movq    $0x123456789ABCDEF0, %rax   # 写入全部 64 位
movl    $0xFFFFFFFF, %eax            # 写入低 32 位，高 32 位清零！
movw    $0xFFFF, %ax                 # 写入低 16 位，不影响高位
movb    $0xFF, %al                   # 写入低 8 位，不影响高位

重要：movl 写入 32 位寄存器时，会自动将高 32 位清零（%eax → %rax 高 32 位置零）。这是 x86-64 的约定行为。

寄存器的核心用途

函数参数传递

前 6 个整数/指针参数按顺序通过寄存器传递：

• 第一个参数 → %rdi
• 第二个参数 → %rsi
• 第三个参数 → %rdx
• 第四个参数 → %rcx
• 第五个参数 → %r8
• 第六个参数 → %r9

栈管理

• %rsp：始终指向当前栈帧的栈顶，由 push/pop/call/ret 指令隐式修改
• %rbp：可选作为栈帧基址指针，用于访问局部变量和参数

函数返回值

• %rax：保存函数返回值
• %rdx：在某些返回 128 位结果的场景中与 %rax 配合使用

寄存器保存约定

详见 ：

• 调用者保存（caller-saved）：%rax, %rcx, %rdx, %rsi, %rdi, %r8~%r11
  • 调用者若需在函数调用后保留其值，必须在 call 之前自行保存
• 被调用者保存（callee-saved）：%rbx, %rbp, %r12~%r15
  • 被调函数若使用这些寄存器，必须在返回 之前 恢复原始值

寄存器 vs 内存

特性	寄存器	内存
访问延迟	~0.5-1 ns	~50-100 ns (主存)
容量	16 × 8 = 128 字节	GB 级别
地址	无地址（通过名称访问）	有地址（指针访问）

编译器会尽可能将频繁使用的变量分配到寄存器中，称为寄存器分配（register allocation）。

相关笔记

• • 寄存器作为操作数的用法
• • 参数在寄存器中的传递规则
• • 寄存器保存约定详解
• • %rsp 与栈的关系

链接到

• 上一个知识点：3.1 操作数类型
• 下一个知识点：3.3 内存引用