CPU寄存器詳解

組件

計(jì)算機(jī)是一種數(shù)據(jù)處理設(shè)備，它由CPU和內(nèi)存以及外部設(shè)備組成。CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，內(nèi)存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)，外部設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，它們之間通過(guò)總線連接在一起。CPU內(nèi)部主要由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成?？刂破髫?fù)責(zé)指令的讀取和調(diào)度，運(yùn)算器負(fù)責(zé)指令的運(yùn)算執(zhí)行，寄存器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，它們之間通過(guò)CPU內(nèi)的總線連接在一起。每個(gè)外部設(shè)備（例如：顯示器、硬盤、鍵盤、鼠標(biāo)、網(wǎng)卡等等）則是由外設(shè)控制器、I/O端口、和輸入輸出硬件組成。外設(shè)控制器負(fù)責(zé)設(shè)備的控制和操作，I/O端口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，輸入輸出硬件則負(fù)責(zé)具體的輸入輸出，它們間也通過(guò)外部設(shè)備內(nèi)的總線連接在一起。

組件化的硬件體系

上面的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中我們可以看出 硬件系統(tǒng)的這種組件化的設(shè)計(jì)思路總是貫徹到各個(gè)環(huán)節(jié)。在這套設(shè)計(jì)思想（馮。諾依曼體系架構(gòu)）里面，總是有一部分負(fù)責(zé)控制、一部分負(fù)責(zé)執(zhí)行、一部分則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)，它之間進(jìn)行交互以及接口通信則總是通過(guò)總線來(lái)完成。這種設(shè)計(jì)思路一樣的可以應(yīng)用在我們的軟件設(shè)計(jì)體系里面：組件和組件之間通信通過(guò)事件的方式來(lái)進(jìn)行解耦處理，而一個(gè)組件內(nèi)部同樣也需要明確好各個(gè)部分的職責(zé)（一部分負(fù)責(zé)調(diào)度控制、一部分負(fù)責(zé)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)、一部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）。

緩存

一個(gè)完整的CPU系統(tǒng)里面有控制部件、運(yùn)算部件還有寄存器部件。中寄存器部件的作用就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)。既然有內(nèi)存作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的場(chǎng)所，那么為什么還要有寄存器呢？答案就是速度和成本。我們知道CPU的運(yùn)算速度是非?？斓模绻堰\(yùn)算的數(shù)據(jù)都放到內(nèi)存里面的話那將大大降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。解決的辦法是在CPU內(nèi)部開辟一小塊臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域，并在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)先將數(shù)據(jù)從內(nèi)存復(fù)制到這一小塊臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域中，運(yùn)算時(shí)就在這一小快臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。我們稱這一小塊臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域?yàn)榧拇嫫?。因?yàn)榧拇嫫骱瓦\(yùn)算器以及控制器是非常緊密的聯(lián)系在一起的，它們的頻率一致，所以運(yùn)算時(shí)就不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)的來(lái)回傳輸以及各設(shè)備之間的頻率差異導(dǎo)致系統(tǒng)性能的整體下降。你可能又會(huì)問(wèn)為什么不把整個(gè)內(nèi)存都集成進(jìn)CPU中去呢？答案其實(shí)還是成本問(wèn)題！

因?yàn)镃PU速度很快，相應(yīng)的寄存器也需要存取很快，二者速度上要匹配，所以這些寄存器的制作難度大，選材精，而且是集成到芯片內(nèi)部，所價(jià)格高。而內(nèi)存的成本則相對(duì)低廉，而且從工藝上來(lái)說(shuō)，我們不可能在CPU內(nèi)部集成大量的存儲(chǔ)單元。

運(yùn)算的問(wèn)題通過(guò)寄存器解決了，但是還存在一個(gè)問(wèn)題：我們知道程序在運(yùn)行時(shí)是要將所有可執(zhí)行的二進(jìn)制指令代碼都裝載到內(nèi)存里面去，CPU每執(zhí)行一條指令前都需要從內(nèi)存中將指令讀取到CPU內(nèi)并執(zhí)行。如果按這樣每次都從內(nèi)存讀取一條指令來(lái)依次執(zhí)行的話，那還是存在著CPU和內(nèi)存之間的處理瓶頸問(wèn)題，從而造成整體性能的下降。這個(gè)問(wèn)題怎么解決呢？答案就是高速緩存。其實(shí)在CPU內(nèi)部不僅有為解決運(yùn)算問(wèn)題而設(shè)計(jì)的寄存器，還集成了一個(gè)部分高速緩存存儲(chǔ)區(qū)域。高度緩存的制造成本要比寄存器低，但是比內(nèi)存的制造成本高，容量要比寄存器大，但是比內(nèi)存的容量小很多。雖然沒有寄存器和運(yùn)算器之間的距離那么緊密，但是要比內(nèi)存到運(yùn)算器之間的距離要近很多。一般情況下CPU內(nèi)的高速緩存可能只有幾KB或者幾十KB那么大。正是通過(guò)高速緩存的引入，當(dāng)程序在運(yùn)行時(shí)，就可以預(yù)先將部分在內(nèi)存中要執(zhí)行的指令代碼以及數(shù)據(jù)復(fù)制到高速緩存中去，而CPU則不再每次都從內(nèi)存中讀取指令而是直接從高速緩存依次讀取指令來(lái)執(zhí)行，從而加快了整體的速度。當(dāng)然要預(yù)讀取哪塊內(nèi)存區(qū)域的指令和數(shù)據(jù)到緩存上以及怎么去讀取這些工作都交給操作系統(tǒng)去調(diào)度完成，這里面的算法和邏輯也非常的復(fù)雜，大家可以通過(guò)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)相關(guān)的課程去了解，這里就不再展開了?？梢钥闯龈咚倬彺娴淖饔媒鉀Q了不同速度設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題。在實(shí)際中CPU內(nèi)部可能不止設(shè)有一級(jí)高速緩存，有可能會(huì)配備兩級(jí)到三級(jí)的高速緩存，越高級(jí)的高速緩存速度越快，容量越低，而越低級(jí)的高度緩存則速度越慢，但是容量越大。比如iPhoneX上的搭載的arm處理器A11里面除了固有的37個(gè)通用寄存器外，L1級(jí)緩存的容量是64KB， L2級(jí)緩存的容量達(dá)到了8M（這么大的二級(jí)緩存，都有可能在你的程序代碼少時(shí)可以一次性將代碼讀到緩存中去運(yùn)行）， 沒有配備三級(jí)緩存。

存儲(chǔ)的層次結(jié)構(gòu)?

我們知道在軟件設(shè)計(jì)上有一個(gè)所謂的空間換時(shí)間的概念，就是當(dāng)兩個(gè)對(duì)象之間進(jìn)行交互時(shí)因?yàn)槎咛幚硭俣炔⒉灰恢聲r(shí)，我們就需要引入緩存來(lái)解決讀寫不一致的問(wèn)題。比如文件讀寫或者socket通信時(shí)，因?yàn)镮O設(shè)備的處理速度很慢，所以在進(jìn)行文件讀寫以及socket通信時(shí)總是要將讀出或者寫入的部分?jǐn)?shù)據(jù)先保存到一個(gè)緩存中，然后再統(tǒng)一的執(zhí)行讀出和寫入操作。

可以看出無(wú)論是在硬件層面上還是在軟件層面上，當(dāng)兩個(gè)組件之間因?yàn)樗俣葐?wèn)題不能進(jìn)行同步交互時(shí)，就可以借助緩存技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)這種不平衡的狀況

指令中的寄存器

CPU執(zhí)行的每條指令都由操作碼和操作數(shù)組成，簡(jiǎn)單理解就是要對(duì)誰(shuí)（操作數(shù)）做什么（操作碼）。在CPU內(nèi)部要運(yùn)算的數(shù)據(jù)總是放在寄存器中，而實(shí)際的數(shù)據(jù)則有可能是放在內(nèi)存或者是IO端口中。因此我們的程序其實(shí)大部分時(shí)間就是做了如下三件事情：

把內(nèi)存或者I/O端口的數(shù)據(jù)讀取到寄存器中

將寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算（運(yùn)算只能在寄存器中進(jìn)行）

將寄存器的內(nèi)容回寫到內(nèi)存或者I/O端口中

這三件事情都是跟寄存器有關(guān)，寄存器就是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的中轉(zhuǎn)站，非常的關(guān)鍵，因此在CPU所提供的指令中，如果操作數(shù)有兩個(gè)時(shí)至少要有一個(gè)是寄存器。

;下面部分是arm64指令示例：

mov x0， #0x100 ;將常數(shù)0x100賦值給寄存器x0

mov x1， x0 ;將寄存器x0的值賦值給寄存器x1

ldr x3， ［sp， #0x8］ ;將棧頂加0x8處的內(nèi)存值賦值給x3寄存器

add x0， x1， x2 ;x0 = x1 + x2 可以看出運(yùn)算的指令必須放在寄存器中

sub x0， x1， x2 ;r0 = x1 - x2

str x1， ［sp， #0x08］ ;將寄存器x1中的值保存到棧頂加0x8處的內(nèi)存處。

;下面部分是x64指令示例（AT&T匯編）：

mov $0x100， %rax ;將常數(shù)0x100賦值給寄存器rax

mov %rax， %rbx ;將寄存器rax的值賦值給rbx寄存器

movq 8（%rax）， %rbx ;將寄存器rax中的值+8并將所指向內(nèi)存中的數(shù)據(jù)賦值給rbx寄存器

所以不要將機(jī)器語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言當(dāng)成是很復(fù)雜或者難以理解的語(yǔ)言，如果你仔細(xì)觀察一段匯編語(yǔ)言代碼時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎大部分代碼都是做的上面的三件事情。我們?cè)诟呒?jí)語(yǔ)言里面看到的只是變量，但是在低級(jí)語(yǔ)言里面看到的就是內(nèi)存地址和寄存器，你可以將內(nèi)存地址和寄存器也理解為定義的變量，帶著這樣的思路去閱讀匯編代碼時(shí)你就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)匯編語(yǔ)言也不是那么的困難。在高級(jí)語(yǔ)言中我們可以根據(jù)自身的需要定義出很多有特殊意義的變量，但是低級(jí)語(yǔ)言中因?yàn)榧拇嫫骶湍敲磶讉€(gè)，它必須要被復(fù)用和重復(fù)使用，因此匯編語(yǔ)言中就會(huì)出現(xiàn)大量的將寄存器的內(nèi)容保存到內(nèi)存中的指令代碼以及從內(nèi)存中讀取到寄存器中的指令代碼。這些代碼中有很多都有共性，只要在你實(shí)踐中多去閱讀，然后適應(yīng)一下就很快能夠很高興的去看匯編代碼了，熟能生巧嗎。