[009] x86과 x64 아키텍처의 레지스터를 표로 알아보자!

X86 Architecture

x64 아키텍처는 인텔 64비트 CPU 아키텍처입니다. 흔히 컴퓨터를 16bit 컴퓨터, 32bit 컴퓨터, 64bit 컴퓨터라고 부릅니다. 이것 전체를 다시말해 N비트 아키텍처로 부르겠습니다. 여기서 64, 32 같은 것들은 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 말합니다. 이를 컴퓨터가 이해할 수 있는 데이터의 단위라는 의미에서 WORD(워드)라고 부릅니다.

 

WORD가 크면 어떤 점이 유리할까요?

WORD가 크면 사용할 수 있는 가상메모리의 크기가 커지기 때문에 최근에는 64bit 컴퓨터를 주로 사용합니다. 32비트 아키텍처에서는 4기가 바이트가 최대로 가능한 가상메로리의 크기로 많은 메모리 자원을 소모하는 전문 소프트웨어나 고사양 게임 등을 할 때 부족할 수 있습니다. 최근에는 처음부터 64비트 기반으로 만들어진 프로그램도 많아 호환이 안되는 경우도 있습니다. 반면 64비트 아키텍처는 이론상 16엑사 바이트의 엄청나게 큰 메모리를 가지고 있습니다.

 

Intel x86 프로세서는 CISC 아키텍처를 사용합니다. 따라서 고사양 작업이 용이합니다.

 

x86 Registers

eax	Accumulator register	누산기, 산술 연산에 사용(중간 결과를 저장해 놓음)
ebx	Base register	기본 레지스터, 데이터의 주소를 가리키는 포인터로 사용
ecx	Counter register	카운터 레지스터, 시프트/회전 연산과 루프에서 사용
edx	Data register	데이터 레지스터 - I/O 포트 엑세스 및 산술 함수에 사용 가능
esi	Source index register	원본 인덱스 레지스터, 스트림 명령에서 소스를 가리키는 포인터로 사용
edi	Destination index register	대상 인덱스 레지스터, 스트림 명령에서 도착점을 가리키는 포인터로 사용
ebp	Base pointer register	기본 포인터 레지스터, 스택의 베이스를 가리키는 포인터로 사용
esp	Stack pointer	스택 포인터, 스택의 최상단을 가리키는 포인터로 사용

모든 정수 레지스터는 32bit입니다. 그러나 대부분은 16비트 또는 8비트 하위 레지스터를 가지고 있습니다.

 

하위 레지스터

ax	Low 16 bits of eax	낮은 16비트
bx	Low 16 bits of ebx	낮은 16비트
cx	Low 16 bits of ecx	낮은 16비트
dx	Low 16 bits of edx	낮은 16비트
si	Low 16 bits of esi	낮은 16비트
di	Low 16 bits of edi	낮은 16비트
dp	Low 16 bits of ebp	낮은 16비트
sp	Low 16 bits of esp	낮은 16비트
al	Low 8 bits of eax	낮은 8비트
ah	High 8 bits of ex	높은 8비트
bl	Low 8 bits of ebx	낮은 8비트
bh	High 8 bits of bx	높은 8비트
cl	Low 8 bits of ecx	낮은 8비트
ch	High 8 bits of cx	높은 8비트
dl	Low 8 bits of edx	낮은 8비트
dh	High 8 bits of dx	높은 8비트

 

모두 정리하면 아래 표와 같습니다.

x64 Register

64비트 레지스터	하위 32비트	하위 16비트	하위 8비트
rax	eax	ax	al
rbx	ebx	bx	bl
rcx	ecx	cx	cl
rdx	edx	dx	dl
rsi	edx	si	sil
rdi	esi	di	dil
rbp	edi	dp	bpl
rsp	ebp	sp	spl
r8	r8d	r8w	r8b
r9	r9d	r9w	r9b
r10	r10d	r10w	r10b
r11	r11d	r11w	r11b
r12	r12d	r12w	r12b
r13	r13d	r13w	r13b
r14	r14d	r14w	r14b
r15	r15d	r15w	r15b

 

다음은 레지스터의 호환을 보겠습니다.

[사진1] 레지스터 호환

위의 그림과 같이 eax, ebx 등은 하위 32bit이고, ax, bx, cx 등은 eax, ebx, ecx 등의 하위 16bit입니다.

 

범용 레지스터(General Register)

범용 레지스터는 주용도는 있으나, 그 외의 다양한 용도로 사용될 수 있는 레지스터입니다. AMD64(x86-64) 기반 범용 레지스터를 알아보겠습니다.

64비트 레지스터	Full Name	주용도
rax	accumulator register	함수의 반환 값
rbx	base register	x64에서는 주된 용도 없음
rcx	counter register	반복문의 반복 횟수, 각종 연산의 시행 횟수
rdx	data register	x64에서는 주된 용도 없음
rsi	source index	데이터를 옮길 때 원본을 가리키는 포인터
rdi	destination index	데이터를 옮길 때 목적지를 가리키는 포인터
rsp	stack pointer	사용중인 스택의 위치를 가리키는 포인터
rbp	stack base pointer	스택의 바닥을 가리키는 포인터

추가적인 설명은 아래 글의 범용 레지스터 부분을 참조하세요.

2023.03.13 - [Security/System] - [003] x86 아키텍처의 어셈블리어 명령어

 

세그먼트 레지스터(Segment Register)

x64 아키텍처에는 cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지 세그먼트 레지스터가 존재합니다.

세그먼트 레지스터	용도
CS (Code Segment)	코드 세그먼트의 시작 주소(코드를 가리킴)
SS (Stack Segment)	스택 세그먼트의 시작 주소(스택을 가리킴)
DS (Data Segment)	데이터 세그먼트의 시작주소(데이터를 가리킴)
ES (Extra Segment)	추가 세그먼트를 가리키는 시작 주소 - 추가적인 데이터를 가리킴 ('Extra'의 첫글자 'E')
FS (F Segment)	추가 세그먼트를 가리키는 시작 주소(여분) - 많은 추가적인 데이터를 가리킴 ('E' 다음은 'F') TEB(Thread Environment Block)의 주소를 지정하는데 사용
GS (G Segment)	추가 세그먼트를 가리키는 시작 주소(여분) - 더 많은 추가적인 데이터를 가리킴 ('F' 다음은 'G')

 

각 레지스터의 크기는 16비트이며, 세그먼트 레지스터는 x64로 아키텍처가 확장되면서 용도에 큰 변화가 생긴 레지스터입니다.

• 각 레지스터 크기: 16bit
• 코드, 데이터, 스택, 라이브러리 세그먼트로 구성
• 문자열 시작 주소를 저장하는데 사용
• 과거에는 세그먼트 레지스터로 사용 가능한 물 메모리의 크기를 키우려 했지만, x64에서는 거의 사용되지 않음

 

명령어 포인터 레지스터

명령어 포인터 레지스터는 CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가리키는 역할을 합니다. x64 아키텍처에서 rip로 표기되며, 크기는 8바이트입니다.

 

플래그 레지스터(Flag Register)

플래그 레지스터는 프로세서의 현재 상태를 저장하고있는 레지스터입니다.

• 부호 없는 정수를 기준으로 2^64 - 1까지의 수를 나타낼 수 있음
• 접두사 r은 64bit, 접두사 e는 32bit 레지스터를 의미

Flag Code	Flag Name	플레그 이름	Flag Status	Description
of	Overflow Flag	오퍼블로 플래그	nvov	오버플로 없음 - 오버플로
df	Direction Flag	방향 플레그	updn	위쪽 방향 - 방향 아래로
if	Interrupt Flag	인터럽트 플레그	diei	인터럽트 사용 안 함 - 인터럽트 사용
sf	Sign Flag	서명 플래그	plng	양수(또는 0) - 음수
zf	Zero Flag	0 플래그	nzzr	0이 아닌 - 0
af	Auxiliary Carry Flag	보조 캐리 플래그	naac	보조 캐리 없음 - 보조 캐리
pf	Parity Flag	패리티 플래그	pepo	패리티 홀수 - 패리티도
cf	Carry Flag	캐리 플래그	nccy	캐리 없음 - 캐리
tf	Trap Flag	트랩 플래그	-	tf가 0이면 명령 하나 실행 후, 예외 발생 디버거에서 단일 단계 추적하는데 사용 다른 애플리케이션에서 사용 금지
iopl	I/O Privilege Level	I/O 권한 수준	-	I/O 권한 수준 0~3 사이의 값을 가진 2비트 정수 운영체제가 하드웨어를 엑세스 제어할 경우 사용 애플리케이션에서 사용 금지

주요한 플레그 레지스터만 살펴보면 다음과 같습니다.

Flag	Full name	의미
CF	Carry Flag	부호 없는 수의 연산 결과가 비트의 범위를 넘을 경우 설정
ZF	Zero Flag	연산의 결과가 0일 경우 설정
SF	Sign Flag	연산의 결과가 음수일 경우 설정
OF	Overflow Flag	부호 있는 수의 연산 결과가 비트 범위를 넘을 경우 설정

 

다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

• 프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터
• x64 아키텍처에서는 RFLAGS라 불리는 64비트 플래그 레지스터가 존재
• CPU의 현재 상태 표현
• ex) a(3)-b(5)=음수(flag:SF) → (a<b)크기비교 가능

 

EFLAGS 레지스터

EFLAGS (Extended FLAGS) 레지스터는 CPU 동작 제어 또는 연산 결과 반영에 사용되는 레지스터다.

	Flag Code	Flag Name	플레그 이름	설명
0	CF	Carry Flag	캐리 플래그	추가 캐리 또는 빼기 포함 작업을 할 때 확인
2	PF	Parity Flag	패리티 플래그	최하위 바이트의 설정 비트수가 2의 배수면 설정
4	AF	Auxiliary Carry Flag	보조 캐리 플래그	플래그를 조절, BCD(Binary Code Decimal) 숫자 산술 연산의 캐리
6	ZF	Zero Flag	제로 플래그	연산 결과가 영(0)이면 설정
7	SF	Sign Flag	서명 플래그	연산 결과가 음수일 경우 설정
8	TF	Trap Flag	트랩 플래그	단계별 디버깅 여부 설정
9	IF	Interrupt Flag	인터럽트 플레그	인터럽트가 활성화되면 설정
10	DF	Direction Flag	방향 플레그	문자열 작업은 포인터를 증가시키지 않고 감소시켜 메모리를 거꾸로 읽음
11	OF	Overflow Flag	오퍼블로 플래그	부호 있는 산술 연산으로 레지스터에 담기에는 너무 큰 값이 나오는 경우 설정
12-13	IOPL	I/O Privilege Level	I/O 권한 수준	현재 프로세스의 Input/Output 권한 수준
14	NT	Nested Task Flag	중첩 테스크 플래그	인터럽트 복귀 명령 IRET의 실행 제어에 사용
16	RF	Resume Flag	재시작 플래그	디버깅 오류를 수락할지 여부를 제어하는데 사용
17	VM	Virtual 8086 Mode Flag	가상 8086 모드 마크	플래그 1: 프로세서가 가상 8086 모드의 작동상태 1이 아님: 프로세서가 일반 보호모드의 작동상태
18	AC	Alignment Check	얼라인먼트 체크	메모리 참조의 정렬 검사를 수행할지 여부 설정
19	VIF	Virtual Interrupt Flag	가상 인터럽트 플레그	IF의 가상 이미지
20	VIP	Virtual Interrupt Pending	가상 인터럽트 보류 플래그	인터럽트가 보류 중인 경우 설정합니다.t
21	ID	Identity Register	식별 플래그	설정할 수 있는 경우 CPUID 명령 지원 CPUID: x86 아키택처를 위한 프로세서 기계 명령어

 

 

출처

Microsoft x86, x64 프로세서 한국어, 영어 문서

• https://learn.microsoft.com/ko-kr/windows-hardware/drivers/debugger/the-x86-processor
• https://learn.microsoft.com/ko-kr/windows-hardware/drivers/debugger/x64-architecture
• https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/debugger/x86-architecture
• https://learn.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/debugger/x64-architecture

위키위키

• https://ko.wikibooks.org/wiki/X86_%EC%96%B4%EC%85%88%EB%B8%94%EB%A6%AC/x86_%EC%95%84%ED%82%A4%ED%85%8D%EC%B2%98
• https://ko.wikipedia.org/wiki/CPUID

programmersought

• https://www.programmersought.com/article/19544782385/

드림핵

https://dreamhack.io/

 

용어사전

 

 

http://word.tta.or.kr/main.do

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