《寄存器组成》课件.ppt

寄存器组成

课程概述课程目标掌握寄存器基本原理主要内容寄存器结构、类型、应用学习方法

什么是寄存器？定义处理器内部的高速存储单元功能临时存储数据、指令和地址重要性

寄存器的基本结构触发器基本存储元件锁存器电平敏感存储单元数据存储单元位元阵列组织

寄存器的类型通用寄存器多用途数据存储专用寄存器特定功能使用2状态寄存器存储处理器状态标志

数据寄存器1功能临时存储处理的数据2应用场景算术运算、数据传输3示例x86的EAX、EBX

地址寄存器功能存储内存地址信息内存访问作用指向当前操作的内存位置示例x86中的ESI、EDI

指令寄存器功能存储当前执行的指令执行过程作用保持指令可供解码和执行示例IR在冯·诺依曼架构中的应用

程序计数器功能指向下一条要执行的指令程序执行作用维护指令执行顺序示例x86中的EIP/RIP

累加器功能存储算术运算结果算术运算应用加速常见计算示例x86的AX/EAX/RAX

状态寄存器功能存储处理器状态标志常见标志位零标志、进位标志、溢出标志程序执行作用条件分支、异常处理

寄存器组应用提高指令执行效率组成多个相同类型寄存器集合定义结构相同的寄存器集合

寄存器堆1结构多端口存储阵列功能支持并行访问操作与寄存器组区别更复杂的组织和访问方式

寄存器的位宽8位寄存器早期处理器，如808016位寄存器x86初代，如808632位寄存器x86扩展，如8038664位寄存器现代处理器，如x86-64

寄存器寻址方式直接寻址指令直接指定寄存器间接寻址寄存器存储操作数地址立即数寻址操作数直接包含在指令中

寄存器传送指令数据移动指令MOV、LOAD、STORE常见指令格式源寄存器→目标寄存器示例MOVAX,BX

寄存器与内存的交互数据读取内存→寄存器(LOAD)数据写入寄存器→内存(STORE)示例LDRR1,[R2];STRR3,[R4]

寄存器与ALU的关系1数据输入寄存器提供ALU操作数2运算过程ALU执行计算3结果存储计算结果返回寄存器

寄存器在流水线中的作用指令流水线隔离各阶段数据流水线传递中间结果寄存器重命名解决数据冲突

寄存器溢出定义计算结果超出寄存器容量原因数据位宽大于寄存器位宽处理方法溢出标志、多精度运算

寄存器优化技术寄存器分配合理分配有限寄存器资源寄存器窗口重叠窗口减少上下文切换开销寄存器旋转循环优化，提高指令级并行度

RISC架构中的寄存器通用寄存器浮点寄存器专用寄存器控制寄存器RISC架构特点：大量通用寄存器、简化指令集、负载/存储架构

CISC架构中的寄存器特点少量专用寄存器复杂寄存器使用模式应用x86系列处理器多样化指令支持与RISC比较寄存器命名不规则寄存器用途更专门化

x86架构中的寄存器通用寄存器EAX、EBX、ECX、EDXESI、EDI、ESP、EBP段寄存器CS、DS、SS、ESFS、GS控制寄存器CR0-CR4EFLAGS

ARM架构中的寄存器1通用寄存器R0-R12：通用数据2状态寄存器CPSR：程序状态3特殊功能寄存器R13(SP)、R14(LR)、R15(PC)

MIPS架构中的寄存器寄存器命名约定$0-$31，按功能分类寄存器用途$0(零)，$1(汇编器临时)，$2-$3(函数返回值)调用约定$4-$7(参数)，$8-$15,$24-$25(临时)，$16-$23(保存)特殊用途$26-$27(内核)，$28(全局指针)，$29(栈指针)

浮点寄存器功能存储浮点数据2结构扩展位宽，支持IEEE754浮点运算应用科学计算、图形处理

向量寄存器SIMD指令集SSE、AVX、NEON向量运算单指令处理多数据应用场景多媒体处理、科学计算

寄存器文件访问方式多读多写端口2结构多端口SRAM阵列3定义处理器中的寄存器组织单元

寄存器别名技术定义多个名称指向同一寄存器实现方法映射表、重叠寄存器优势向后兼容性、灵活访问

寄存器重命名目的消除假数据依赖实现方法物理寄存器池、映射表乱序执行应用提高指令级并行度

寄存器旁路技术定义直接转发结果到下一指令1实现方法旁路网络、数据前推流水线应用减少数据相关停顿

寄存器保护与恢复1函数调用过程保存调用者寄存器2栈帧局部变量和保存寄存器空间3示例PUSH/POP指令序列

寄存器溢出与寄存器分配寄存器压力变量数量超过可用寄存器分配算法图着色、线性扫描优化策略活跃区间分析、变量合并

寄存器窗口技术SPARC架构特有技术重叠窗口减少参数传递开销函数调用快速切换上下文

寄存器在异常处理中的作用1异常发生时保存程序计数器和状态寄存器处理过程执行异常处理程序异常返回时恢复寄存器状态

寄存器在中断处理中的作用中断上下文保存自动或软件保存处理器状态中断服务程序使用专用栈和保存的寄存器示例x86中的IRET指令恢复现场

寄存器与缓存的关系

寄存器与存储层次结构1