Регистр процессора

Быстродоступная рабочая память, доступная как часть цифрового процессора

Описание уровня передачи регистров (RTL) 8-битного регистра с подробной реализацией, показывающее, как можно хранить 8 бит данных.

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 .

Когда компьютерная программа неоднократно обращается к одним и тем же данным, это называется локальностью ссылки . Хранение часто используемых значений в регистрах может иметь решающее значение для производительности программы. Распределение регистров выполняется либо компилятором на этапе генерации кода , либо вручную программистом на ассемблере .

Размер

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 загружаться 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.
  • Регистры данных могут хранитьчисловые значения данных, такие какцелые числаи, в некоторых архитектурах, значения с плавающей запятой, а такжесимволы, небольшиебитовые массивыи другие данные. В некоторых старых архитектурах, таких какIBM 704,IBM 709и его преемниках,PDP-1,PDP-4/PDP-7/PDP-9/PDP-15,PDP-5/PDP-8иHP 2100, специальный регистр данных, известный какаккумулятор, неявно используется для многих операций.
  • 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.
    • Указатель стека используется для управления стеком времени выполнения . Редко другие стеки данных адресуются выделенными адресными регистрами (см. стековую машину ).
  • Регистры общего назначения ( GPR ) могут хранить как данные, так и адреса, т.е. они представляют собой комбинированные регистры данных/адреса; в некоторых архитектурах файл регистров унифицирован , поэтому георадарытакже могут хранить числа с плавающей запятой .
  • Регистры состояния содержатзначения истинности,которые часто используются для определения того, должна или не должна выполняться какая-либо инструкция.
  • Регистры с плавающей запятой (FPR) хранятчисла с плавающей запятойво многих архитектурах.
  • Регистры констант хранят значения, доступные только для чтения, такие как ноль, единица иличисло «пи».
  • Векторные регистры содержат данные длявекторной обработкивыполняемойSIMD(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.
  • Регистры диапазона типа памяти (MTRRs)
• Внутренние регистры недоступны для инструкций и используются внутри процессора для операций.
  • Регистр команд содержит команду, исполняемую в данный момент.
  • Регистры, относящиеся к выборке информации из ОЗУ — набора регистров хранения, расположенных на отдельных от ЦП микросхемах:
    • Регистр буфера памяти (MBR), также известный какрегистр данных памяти(MDR)
    • Регистр адреса памяти (MAR)
• Архитектурные регистрыЯвляются ли регистры видимыми для программного обеспечения и определяются архитектурой. Они могут не соответствовать физическому оборудованию, если переименование регистров выполняется базовым оборудованием.

Аппаратные регистры аналогичны, но находятся вне процессоров.

В некоторых архитектурах (таких как SPARC и MIPS ) первый или последний регистр в файле целочисленных регистров является псевдорегистром, поскольку он запрограммирован так, чтобы всегда возвращать ноль при чтении (в основном для упрощения режимов индексации), и его нельзя перезаписать. . В Alpha это также делается для файла регистров с плавающей запятой. В результате этого в файлах регистров обычно указывается, что они содержат на один регистр больше, чем их реальное количество; например, котируются 32 регистра, если только 31 из них соответствует приведенному выше определению регистра.

Примеры

В следующей таблице показано количество регистров в нескольких основных архитектурах ЦП. Обратите внимание, что в x86 -совместимых процессорах указатель стека ( ESP) считается целочисленным регистром, хотя существует ограниченное количество инструкций, которые можно использовать для работы с его содержимым. Подобные предостережения применимы к большинству архитектур.

Хотя все перечисленные ниже архитектуры различны, почти все они имеют базовую структуру, известную как архитектура фон Неймана , впервые предложенную венгерско-американским математиком Джоном фон Нейманом . Примечательно также, что количество регистров на графических процессорах намного больше, чем на центральных процессорах.

Применение

Количество регистров, доступных на процессоре, и операций, которые можно выполнить с их помощью, оказывают существенное влияние на эффективность кода , генерируемого оптимизирующими компиляторами . Число Стралера дерева выражений дает минимальное количество регистров, необходимое для вычисления этого дерева выражений.

Смотрите также

• Кэш процессора
• Квантовый регистр
• Распределение регистров
• Зарегистрировать файл
• Регистр сдвига

Рекомендации

1. «Что такое регистр процессора?». Образовательные: интерактивные курсы для разработчиков программного обеспечения . Проверено 12 августа 2022 г.
2. «Обзор методов проектирования и управления файлом регистров ЦП» .
3. «Справочное руководство по аппаратному обеспечению компьютерной системы Cray-1» (PDF) . Крейские исследования . Ноябрь 1977 г. Архивировано (PDF) из оригинала 7 ноября 2021 г. Проверено 23 декабря 2022 г.
4. «Руководство пользователя микрокомпьютера MCS-4» (PDF) . Интел. Февраль 1973 года.
5. «Руководство пользователя 8-битного параллельного центрального процессора 8008» (PDF) . Интел. Ноябрь 1973 года . Проверено 23 января 2014 г.
6. «Руководство пользователя микрокомпьютерных систем Intel 8080» (PDF) . Интел. Сентябрь 1975 года . Проверено 23 января 2014 г.
7. «Справочное руководство программиста 80286 и 80287» (PDF) . Интел. 1987.
8. «Руководства для разработчиков программного обеспечения для архитектур Intel 64 и IA-32» . Интел. 4 декабря 2019 г.
9. «Руководство программиста по архитектуре AMD64, том 1: Прикладное программирование» (PDF) . АМД . Октябрь 2013.
10. «Расширения набора команд архитектуры Intel и справочник по программированию будущих функций» (PDF) . Интел . Январь 2018.
11. F8 Руководство по программированию (PDF) . Подразделение микрокомпьютеров Fairchild MOS. 1977.
12. «Справочное руководство по процессору Nios II Classic» (PDF) . Альтера . 2 апреля 2015 г.
13. «Справочное руководство по процессорам Nios II Gen2» (PDF) . Альтера. 2 апреля 2015 г.
14. «Справочное руководство по программированию M6800» (PDF) . Моторола . Ноябрь 1976 года . Проверено 18 мая 2015 г.
15. «Справочное руководство программиста семейства Motorola M68000» (PDF) . Моторола. 1992 год . Проверено 13 июня 2015 г.
16. «Руководство по программированию на CUDA C» . Нвидиа. 2019 . Проверено 9 января 2020 г.
17. Цзя, Чжэ; Маджиони, Марко; Штайгер, Бенджамин; Скарпацца, Даниэле П. (2018). «Анализ архитектуры графического процессора NVIDIA Volta с помощью микробенчмаркинга». arXiv : 1804.06826 [cs.DC].
18. «IBM Enterprise Systems Architecture/370 и System/370 — векторные операции» (PDF) . ИБМ. SA22-7125-3 . Проверено 11 мая 2020 г.
19. «Микропроцессор IBM S/390 G5» (PDF) .
20. "Домашняя страница MMIX" .
21. «Справочник данных серии 32000» (PDF) . Национальный полупроводник .
22. «Архитектура набора команд синергетического процессорного блока, версия 1.2» (PDF) . ИБМ. 27 января 2007 г.
23. «Изучение сборки 65816» . Вики-сайт разработки Super Famicom . Проверено 14 ноября 2019 г.
24. «Стандарт вызова процедур для архитектуры ARM» (PDF) . АРМ Холдингс . 30 ноября 2013 года . Проверено 27 мая 2013 г.
25. «2.6.2. Набор регистров состояния большого пальца» . Техническое справочное руководство ARM7TDMI . АРМ Холдингс .
26. «Стандарт вызова процедур для 64-битной архитектуры ARM» (PDF) . АРМ Холдингс. 22 мая 2013 года . Проверено 27 мая 2013 г.
27. «Справочник по архитектуре Epiphany» (PDF) .