Регистр процессора — это быстро доступное место, доступное процессору компьютера . [1] Регистры обычно состоят из небольшого объема быстрой памяти , хотя некоторые регистры имеют определенные аппаратные функции и могут быть доступны только для чтения или только для записи. В компьютерной архитектуре регистры обычно адресуются с помощью механизмов, отличных от основной памяти , но в некоторых случаях им может быть назначен адрес памяти , например DEC PDP-10 , ICT 1900 . [2]
Почти все компьютеры, независимо от архитектуры загрузки/сохранения или нет, загружают элементы данных из большей памяти в регистры, где они используются для арифметических операций , побитовых операций и других операций, а также управляются или проверяются машинными инструкциями . Манипулируемые элементы затем часто сохраняются обратно в основную память либо с помощью той же инструкции, либо с помощью следующей. Современные процессоры используют в качестве основной памяти либо статическое , либо динамическое ОЗУ , причем доступ к последней обычно осуществляется через один или несколько уровней кэша .
Регистры процессора обычно находятся на вершине иерархии памяти и обеспечивают самый быстрый способ доступа к данным. Этот термин обычно относится только к группе регистров, которые непосредственно закодированы как часть инструкции, как определено набором команд . Однако современные высокопроизводительные процессоры часто имеют дубликаты этих «архитектурных регистров» для повышения производительности за счет переименования регистров , что позволяет выполнять параллельное и спекулятивное выполнение . Современный дизайн x86 приобрел эти методы примерно в 1995 году с выпусками Pentium Pro , Cyrix 6x86 , Nx586 и AMD K5 .
Регистры обычно измеряются количеством бит, которые они могут хранить, например, « 8-битный регистр», « 32-битный регистр», « 64-битный регистр» или даже больше. В некоторых наборах команд регистры могут работать в различных режимах, разбивая свою память на более мелкие части (например, 32-битные на четыре 8-битные), в которые помещаются несколько данных (вектор или одномерный массив данных). могут быть загружены и работать одновременно. Обычно это реализуется путем добавления дополнительных регистров, которые отображают свою память в регистр большего размера. Процессоры, способные выполнять отдельные инструкции для нескольких данных, называются векторными процессорами .
Типы
Процессор часто содержит несколько типов регистров, которые можно классифицировать по типам значений, которые они могут хранить, или по командам, которые с ними работают:
Доступные пользователю регистры можно читать или записывать с помощью машинных инструкций. Наиболее распространенным разделением регистров, доступных пользователю, является деление на регистры данных и регистры адреса.
Адресные регистры содержатадресаи используются инструкциями, которые косвенно обращаются кпервичнойпамяти.
Некоторые процессоры содержат регистры, которые могут использоваться только для хранения адреса или только для хранения числовых значений (в некоторых случаях используются в качестве индексного регистра , значение которого добавляется как смещение от некоторого адреса); другие позволяют регистрам хранить любые количества. Существует множество возможных режимов адресации , используемых для указания эффективного адреса операнда.
Регистры общего назначения (GPR s) могут хранить как данные, так и адреса, т. е. представляют собой комбинированные регистры данных/адреса; в некоторых архитектурахфайл регистровунифицирован,поэтому георадары также могут хранить числа с плавающей запятой.
Регистры с плавающей запятой (FPR) хранят числа с плавающей запятой во многих архитектурах.
Регистры констант хранят значения, доступные только для чтения, такие как ноль, единица иличисло «пи».
Векторные регистры содержат данные длявекторной обработки, выполняемойSIMD(одна инструкция, несколько данных).
Регистры специального назначения ( SPR ) хранят некоторые элементы состояния программы ; они обычно включают в себя счетчик программ , также называемый указателем команд, и регистр состояния ; счетчик программы и регистр состояния могут быть объединены в регистр слова состояния программы (PSW). Вышеупомянутый указатель стека иногда также включается в эту группу. Встроенные микропроцессоры также могут иметь регистры, соответствующие специализированным аппаратным элементам.
В некоторых архитектурах регистры, специфичные для модели (также называемые регистрами, специфичными для машины ), хранят данные и настройки, относящиеся к самому процессору. Поскольку их значения привязаны к конструкции конкретного процессора, нельзя ожидать, что они останутся стандартными между поколениями процессоров.
Архитектурные регистрыЯвляются ли регистры видимыми для программного обеспечения и определяются архитектурой. Они могут не соответствовать физическому оборудованию, если переименование регистров выполняется базовым оборудованием.
In some architectures (such as SPARC and MIPS), the first or last register in the integer register file is a pseudo-register in that it is hardwired to always return zero when read (mostly to simplify indexing modes), and it cannot be overwritten. In Alpha, this is also done for the floating-point register file. As a result of this, register files are commonly quoted as having one register more than how many of them are actually usable; for example, 32 registers are quoted when only 31 of them fit within the above definition of a register.
Examples
The following table shows the number of registers in several mainstream CPU architectures. Note that in x86-compatible processors, the stack pointer (ESP) is counted as an integer register, even though there are a limited number of instructions that may be used to operate on its contents. Similar caveats apply to most architectures.
Although all of the below-listed architectures are different, almost all are in a basic arrangement known as the von Neumann architecture, first proposed by the Hungarian-American mathematicianJohn von Neumann. It is also noteworthy that the number of registers on GPUs is much higher than that on CPUs.
Usage
The number of registers available on a processor and the operations that can be performed using those registers has a significant impact on the efficiency of code generated by optimizing compilers. The Strahler number of an expression tree gives the minimum number of registers required to evaluate that expression tree.
^"What is a processor register?". Educative: Interactive Courses for Software Developers. Retrieved 2022-08-12.
^"A Survey of Techniques for Designing and Managing CPU Register File".
^"Cray-1 Computer System Hardware Reference Manual" (PDF). Cray Research. November 1977. Archived (PDF) from the original on 2021-11-07. Retrieved 2022-12-23.
^"MCS-4 Micro Computer Set Users Manual" (PDF). Intel. February 1973.
^"8008 8 Bit Parallel Central Processor Unit Users Manual" (PDF). Intel. November 1973. Retrieved January 23, 2014.
^"Intel 8080 Microcomputer Systems User's Manual" (PDF). Intel. September 1975. Retrieved January 23, 2014.
^"80286 and 80287 Programmer's Reference Manual" (PDF). Intel. 1987.
^ a b"Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals". Intel. 4 December 2019.
^"Intel Architecture Instruction Set Extensions and Future Features Programming Reference" (PDF). Intel. January 2018.
^F8 Guide to Programming (PDF). Fairchild MOS Microcomputer Division. 1977.
^"Nios II Classic Processor Reference Guide" (PDF). Altera. April 2, 2015.
^"Nios II Gen2 Processor Reference Guide" (PDF). Altera. April 2, 2015.
^"M6800 Programming Reference Manual" (PDF). Motorola. November 1976. Retrieved May 18, 2015.
^"Motorola M68000 Family Programmer's Reference Manual" (PDF). Motorola. 1992. Retrieved June 13, 2015.
^"CUDA C Programming Guide". Nvidia. 2019. Retrieved Jan 9, 2020.
^Jia, Zhe; Maggioni, Marco; Staiger, Benjamin; Scarpazza, Daniele P. (2018). "Dissecting the NVIDIA Volta GPU Architecture via Microbenchmarking". arXiv:1804.06826 [cs.DC].
^"IBM Enterprise Systems Architecture/370 and System/370 - Vector Operations" (PDF). IBM. SA22-7125-3. Retrieved May 11, 2020.
