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一如其名，段寄存器是若干个存储与数据段相关信息的寄存器。特别地，段寄存器长度为 16 bits。段寄存器的作用是存储对应数据段的起始位置。比如，为了获取程序启动时的命令行参数个数，调用 CRT 函数 __p___argc() 可能会产生以下指令（用助记符表示，Windows 10, VS2017）：
call dword ptr ds:[<&__p___argc>]
将代码编译为compiled-snippet.exe。调试代码到这条指令处：
该指令位于0x00F61820，对应机器码为 FF15 80B1F600(小端)，长度为6字节。有意思的是 call 的参数 0x00F6B180 并不是 __p___argc() 地址。接着查看在地址 0x00F6B180 处的数据：
连续四个字节的内容为 E0EA370F。这四个字节表示另一个地址0x0F37EAE0；这个地址才是函数 __p___argc() 第一条指令的地址。
这类call指令不使用直接地址，也许是出于共享内存的考虑。而至于为什么call指令要带上段寄存器ds，可能是编译器认为这样做可以产生长度更短的程序。
此外，当前指令和函数 __p___argc() 的代码并不属于同一个数据段：前者位于 compiled-snippet.exe 的 .text 段，0x00F6B180 属于 .idata 段；而函数 __p___argc() 位于 ucrtbase.dll 的 .text 段。但在这里 ds 的值并不对应 ucrtbase.dll 的 .text 段，而应该对应 compiled-snippet.exe 的 .idata段。
然而这个程序将 4GB 内存看作一个大数组，已经不需要按照“段寄存器+段内位移”去产生目标地址。段内位移0x00F6B180已经是一个4字节 32-bit 虚拟地址。段寄存器的另一个作用体现为向后兼容性(backward compatibility)，即为旧硬件编写的程序仍然可以运行新硬件上。了解相关硬件的 发展历史 对理解这种向后兼容性有所帮助。
Real mode in Intel 8086
现在大众所说的“x86”指令集架构正是源于 Intel 8086。准确的来讲，“x86”并不能和“32位”画上等号。Intel 8086 是一个 16-bit 的处理器，寄存器的长度都是16位。特别地， 8086 包含了四个 段寄存器 cs(code segment register), ds(data segment register), es(extra segment register) 和 ss(stack segment register)。
然而8086的外部却有 20 条地址总线。因此 8086 有特别的寻址技巧：
- 通过分段来管理内存，段的起始地址按照 16B 对齐，大小不固定。不同的段可以重叠；
- 物理地址(address)由两个16-bit的整数计算得到，一个是段的起始地址(segment)，另一个是段内位移(offset)。它们之间的关系如下：
在寻址过程中，段寄存器 的值被解释为 段的起始地址。整个计算过程由CPU的分段单元(Segmentation Unit)完成，应用程序只需要修改段寄存器的值即可访问内存中任何位置。
虽然 8086 是一个 16-bit 处理器，但上述寻址方式使得 8086 的寻址空间超过了 64KB 而扩大到 1MB。这种寻址方式在 80286 中被重命名为”实模式(Real mode)”，而 80286 又引入了新的寻址方式“保护模式(Protected mode)”。
Protected mode in Intel 80286
Intel 80286 的仍然是 16-bit 的处理器，但是其外部有24条地址总线，寻址能力扩大到16MB。80286 的保护模式引入了 （段描述符表）Segmentation Descriptor Table，该表的表项包含两个整数，一个是长度为24位的段的起始地址，另一个表示段的大小。而在寻址过程中，段寄存器 的值被解释为 段在表中的索引(13-bit)、请求的特权等级(2-bit)和表指示器(1-bit)的组合。每次寻址都要比较请求的特权等级和对应的表项，倘若不满足特权条件将引起一般保护中断(general protection fault)。具体的寻址方式参见wiki。
为了向后兼容性，80286 以实模式启动，应用程序仍然能够通过“段寄存器+段内位移”的方式访问内存；一旦切换到保护模式，除了触发硬件重置 CPU 以外，不能切换到实模式。
Intel 80386
80386 是一个32-bit 的处理器，直到现在 80386 架构指令集仍然占据主流。现在有的应用程序按照不同指令集架构分发不同版本，其中某些版本带有的 i386 字样后缀即表示 Intel 80386。
在 80386 段描述符表中，表项的段起始地址的长度增加到32bits，段内位移也增加到32bits。直到 80386 之前，应用程序都能直接按照物理地址访问内存。但是 80386 增加了分页单元，将其作为分段单元和地址总线之间的中间人。页和段不同：页的大小是固定的而且对程序员透明。如果启用分页单元，段内的地址（段的起始地址和段内位移）只能是虚拟地址；最终由分页单元将虚拟地址翻译为物理地址。此外 80386 还引入另外两个通用的 16-bit 段寄存器 fs 和 gs ，在 Linux 和 Windows 下的用途不同。
Windows 靠 fs 实现 线程局部存储(TLS, Thread-local storage)。虽然作为一个 16-bit 寄存器，fs 并不直接存储 线程信息块(TIB, Thread Information Block, aka TEB, Thread Environment Block)的起始地址，但是程序仍然可通过段寄存器 fs 访问 TEB。举个例子，fs:[0x30](偏移0x30个字节) 就是当前进程信息块(Process Environment Block) 结构体的地址。
In short
直到今天，段寄存器在更多的情况下是被 隐式 地使用的。比如
- 所有指令都由 CPU 从
cs所指定的代码段中取得； - 大部分内存引用都源自
ds指定的数段； - 栈的操作(e.g.
pushandpop指令和(e)spand(e)bp寄存器) - 字符串指令
不过，一些我们所熟知的操作系统，比如 Linux，实现了平面存储器模式(Flat memory model)，将 cs 和 ds 设置为 0；由段内位移直接产生虚拟地址。
