为什么Motorola 68k的32位通用寄存器分为数据寄存器和地址寄存器？

Question

68k 寄存器分为两组，每组 8 个。八个数据寄存器（D0 到 D7）和八个地址寄存器（A0 到 A7）。这种分离的目的是什么，联合起来会不会更好？

Answer 1

简短的回答是，这种分离来自当时的架构限制和设计决策。

长答案：

M68K 实现了很多寻址模式（尤其是与基于 RISC 的处理器相比时），它的许多指令支持大多数（如果不是全部）它们。这在每条指令中提供了多种寻址模式组合。

这也增加了操作码执行的复杂性。举个例子：

move.l $10(pc), -$20(a0,d0.l)

指令只是将一个长字从一个位置复制到另一个位置，很简单。但是为了实际执行操作，处理器需要找出实际（原始）内存地址以用于源操作数和目标操作数。这个对操作数寻址模式进行解码（解析）的过程称为有效地址计算。

对于这个例子：

1. 为了计算源有效地址-$10(pc)， 处理器加载PC（程序）计数器寄存器的值 并添加 $10。

2. 为了计算目的有效地址—— -$20(a0,d0.l)，处理器加载A0寄存器的值，加上D0寄存器的值，然后减去 20 美元。

单个操作码的计算量相当大，不是吗？

但 M68K 执行这些计算的速度相当快。为了快速计算有效地址，它实现了一个专用的Address Unit (AU)。

作为一般规则，对数据寄存器的操作由 ALU（算术逻辑单元）处理，涉及地址计算的操作由 AU（地址单元）处理.

AU 针对 32 位地址操作进行了很好的优化：它在一个总线周期（4 个 CPU 周期）内执行 32 位减法/加法，而 ALU 没有（32 位操作需要 2 个总线周期） .

但是，AU 仅限于加载和基本的加法/减法运算（由寻址模式决定），并且它不连接到 CCR（有条件Codes Register），这就是地址寄存器上的操作从不更新标志的原因。

也就是说，AU应该是用来优化复杂寻址模式的计算的，但它不能完全取代ALU（毕竟，有M68K 中只有大约 68K 个晶体管），因此有两个寄存器组（数据和地址寄存器），每个寄存器都有自己的专用单元。

Answer 2

所以这只是基于快速查找，但使用 16 个寄存器显然更容易编程。问题可能是您必须为 16 个寄存器中的每一个都编写指令。这将使所需的操作码数量增加一倍。为每个目的使用一半并不理想，但通常可以访问更多寄存器。