在 32 位中，我们有 8 个“通用”寄存器。使用 64 位，数量翻倍，但它似乎独立于 64 位更改本身。
现在，如果寄存器如此之快（没有内存访问），为什么没有更多的自然呢？ CPU 构建器不应该在 CPU 中工作尽可能多的寄存器吗？为什么我们只有我们拥有的数量的逻辑限制是什么？
【问题讨论】：
标签： performance history cpu-registers assembly
您没有大量寄存器的原因有很多：
现在我们确实有很多寄存器 - 它们只是没有明确编程。我们有“注册重命名”。虽然您只能访问一小部分（8-32 个寄存器），但它们实际上得到了一个更大的集合（例如 64-256）的支持。然后 CPU 跟踪每个寄存器的可见性，并将它们分配给重命名的集合。例如，您可以连续多次加载、修改、然后存储到寄存器中，并根据缓存未命中等实际独立执行这些操作中的每一个。在 ARM 中：
ldr r0, [r4]
add r0, r0, #1
str r0, [r4]
ldr r0, [r5]
add r0, r0, #1
str r0, [r5]
Cortex A9 内核会进行寄存器重命名，因此第一次加载到“r0”实际上会转到一个重命名的虚拟寄存器 - 我们称之为“v0”。加载、增量和存储发生在“v0”上。同时，我们还再次对 r0 执行加载/修改/存储，但这将重命名为“v1”，因为这是使用 r0 的完全独立的序列。假设由于缓存未命中，来自“r4”中指针的负载停止。没关系——我们不需要等待“r0”准备好。因为它被重命名了，所以我们可以使用“v1”（也映射到 r0）运行下一个序列 - 也许这是缓存命中，我们刚刚获得了巨大的性能提升。
ldr v0, [v2]
add v0, v0, #1
str v0, [v2]
ldr v1, [v3]
add v1, v1, #1
str v1, [v3]
我认为 x86 近来有大量重命名的寄存器（大约 256 个）。这意味着每条指令都有 8 位乘以 2，只是为了说明源和目标是什么。这将大大增加核心所需的电线数量及其尺寸。因此，在 16 到 32 个寄存器附近有一个最佳位置，大多数设计人员都已经解决了这个问题，对于无序 CPU 设计，寄存器重命名是缓解它的方法。
编辑：乱序执行和寄存器重命名的重要性。一旦你有了OOO，寄存器的数量就没有那么重要了，因为它们只是“临时标签”并且被重命名为更大的虚拟寄存器集。您不希望数字太小，因为很难编写小的代码序列。这对 x86-32 来说是个问题，因为有限的 8 个寄存器意味着很多临时寄存器最终会通过堆栈，并且内核需要额外的逻辑来将读/写转发到内存。如果您没有 OOO，则通常是在谈论小内核，在这种情况下，大寄存器集的成本/性能优势很差。
因此，对于大多数类型的 CPU，寄存器组大小有一个天然的最佳位置，最多可容纳大约 32 个架构寄存器。 x86-32 有 8 个寄存器，它肯定太小了。 ARM 有 16 个寄存器，这是一个很好的折衷方案。如果有的话，32 个寄存器有点太多了 - 你最终不需要最后 10 个左右。
这些都不会涉及您为 SSE 和其他矢量浮点协处理器获得的额外寄存器。这些作为一个额外的集合是有意义的，因为它们独立于整数内核运行，并且不会以指数方式增加 CPU 的复杂性。
【讨论】：
因为几乎每条指令都必须选择 1、2 或 3 个架构上可见的寄存器，所以增加它们的数量会使每条指令的代码大小增加几位，从而降低代码密度。它还增加了必须保存为线程状态的 context 的数量，并且部分保存在函数的 activation record 中。 这些操作经常发生。流水线互锁必须检查每个寄存器的记分牌，这具有二次时间和空间复杂度。也许最大的原因仅仅是与已经定义的指令集的兼容性。
但事实证明，感谢 register renaming， 我们确实有很多可用的寄存器，我们甚至不需要保存它们。 CPU 实际上有许多寄存器集，它会在您的代码执行时自动在它们之间切换。这样做纯粹是为了让您获得更多的寄存器。
例子：
load r1, a # x = a
store r1, x
load r1, b # y = b
store r1, y
在只有 r0-r7 的架构中，以下代码可能会被 CPU 自动重写为：
load r1, a
store r1, x
load r10, b
store r10, y
在这种情况下，r10 是一个隐藏寄存器，临时替代了 r1。 CPU 可以判断 r1 的值在第一次存储之后再也不会被使用。这允许延迟第一次加载（即使片上缓存命中通常需要几个周期），而无需延迟第二次加载或第二次存储。
【讨论】：
它们一直在添加寄存器，但它们通常与特殊用途的指令（例如 SIMD、SSE2 等）相关联，或者需要编译到特定的 CPU 架构，这会降低可移植性。现有指令通常在特定寄存器上工作，如果其他寄存器可用，则无法利用它们。旧版指令集等等。
【讨论】：
在这里添加一些有趣的信息，您会注意到拥有 8 个相同大小的寄存器允许操作码保持与十六进制表示法的一致性。例如，指令push ax 是 x86 上的操作码 0x50，最后一个寄存器 di 上升到 0x57。然后指令 pop ax 从 0x58 开始并上升到 0x5F pop di 以完成第一个 base-16。每个大小有 8 个寄存器保持十六进制一致性。
【讨论】：