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# x8664Architecture

1999년, AMD는 인텔의 32비트 CPU 아키텍처인 IA-32를 64비트로 확장한 AMD64 아키텍처를 발표했습니다. 이후 인텔을 비롯한 다양한 회사가 이를 기반으로 다양한 이름의 아키텍처를 발표했고, 보다 범용적이고 중립적으로 지칭되는 x86-64라는 명칭이 탄생했습니다. 현재 대다수의 개인용 PC는 x86-64 아키텍처를 기반으로 한 CPU를 탑재합니다.

## x86-64 아키텍처: 레지스터

{% hint style="info" %}
레지스터란? CPU 내부의 저장장치로, CPU가 빠르게 접근해서 사용할 수 있습니다. 산술 연산에 필요한 데이터를 저장하거나 주소를 저장하고 참조하는 등 다양한 용도로 사용됩니다.
{% endhint %}

**범용 레지스터**

* 주용도 외 임의의 용도로 사용될 수 있는 레지스터
* x86-64에서 각각의 범용 레지스터는 8바이트를 저장할 수 있다.
* 부호 없는 정수를 기준으로 2^64-1까지 표현할 수 있다.
* 자주 쓰이는 범용 레지스터들의 용도는 다음과 같다.

| 이름                         | 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         |

* 외에도 x64에는 r8, r9, ... , r15까지 범용 레지스터가 존재한다.

**세그먼트 레지스터**

* x64 아키텍처에는 cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지 세그먼트 레지스터가 존재
* 각 레지스터의 크기는 16비트다.
* x64 아키텍처로 확장되며 용도의 큰 변화가 생겼다.
* 과거에는 사용 가능한 물리 메모리의 크기를 키우는 용도로 사용되었다.
* 현대에는 cs, ds, ss 레지스터는 코드 영역과 데이터, 스택 메모리 영역을 가리킬 때 사용하고, 나머지 레지스터는 운영체제 별로 용도를 결정할 수 있도록 범용적인 용도로 제작된 세그먼트 레지스터다.
* 주로 메모리 보호를 위해 사용되는 레지스터

**명령어 포인터 레지스터**

* 프로그램의 코드는 기계어로 작성되어 있다.
* 이 중에서 CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가리키는 것이 명령어 포인터 레지스터의 역할이다.
* x64 아키텍처의 명령어 레지스터는 rip이며, 크기는 8바이트다.

**플래그 레지스터**

* 프로세서의 현재 상태를 저장하고 있는 레지스터
* x64 아키텍처에는 RFLAGS라고 불리는 64비트 크기의 플래그 레지스터가 존재
* 과거 16비트 플래그 레지스터가 확장된 것
* 깃발을 올리고, 내리는 행위로 신호를 전달하듯, 자신을 구성하는 여러 비트들로 CPU의 상태를 표현

대표적인 플래그 비트:

| 플래그                | 의미                                    |
| ------------------ | ------------------------------------- |
| CF (Carry Flag)    | 부호 없는 수의 연산 결과가 비트의 범위를 넘을 경우 설정 됩니다. |
| ZF (Zero Flag)     | 연산의 결과가 0일 경우 설정 됩니다.                 |
| SF (Sign Flag)     | 연산의 결과가 음수일 경우 설정 됩니다.                |
| OF (Overflow Flag) | 부호 있는 수의 연산 결과가 비트 범위를 넘을 경우 설정 됩니다.  |

* 간단한 예로 a=3, b=5일 때, a에서 b를 빼는 연산을 하면, 연산의 결과가 음수이므로 SF가 설정된다.
* CPU는 SF를 통해 a가 b보다 작았음을 알 수 있게 된다.
* 실제 이러한 원리로 수의 대소를 비교하는 어셈블리 명령어가 있다.
* RFLAGS는 64비트이므로 최대 64개의 플래그를 사용할 수 있지만, 실제로는 오른쪽의 20여개의 비트만 사용한다.

**레지스터 호환**

* x86-64 아키텍처는 IA-32의 64비트 확장 아키텍처이며, 호환이 가능하다.
* IA-32에서 CPU의 레지스터들은 32비트 크기를 가진다.
* 명칭은 각각 eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp, ebp였다.
* 호환성을 위해 위 레지스터들은 x86-64에서도 그대로 사용한다.
* rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp가 이들의 확장 형태
* eax, ebx 등의 확장된 레지스터의 하위 32비트를 가리킨다.
  * 예를 들어 eax는 rax의 하위 32비트를 의미
* 과거 16비트 아키텍처인 IA-16과 호환을 위해 ax, bx, cx, dx, si, di, sp, bp는 eax, ebx, ecx, edc, esi, edi, esp, ebp의 하위 16비트를 가리킨다.


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