为什么 ARM 和 MIPS 那么多寄存器,x86 那么少?

为什么 ARM 和 MIPS 那么多寄存器,x86 那么少?

RISC目前有一款势头很猛的开源ISA,叫做RISCV,是体系结构界开山鼻祖,Berkley的David Patterson带领完成的。(之前所有RISC也是他...)题主提到的MIPS和ARM和它差不太多,一些基本的设计思路都一样。

到底有多少个寄存器,和编译时的寄存器分配关系很大——寄存器太少的话,就要经常把寄存器上的内容倒腾到内存里去,这一来一回用时实在是太大了;寄存器太多的话,根本用不完,白白花了材料钱和制作费。Patterson在他的《计算机体系结构:量化研究方法》这本教材里给出了一个寄存器数目的效用曲线,根据他的统计结果,大致结论是寄存器数目在16-32个之间,对于目前的编译技术而言是最优的选择。(书不在手边,有时间了会补上这个图。)

所以回过头,来看RISCV,五位寄存器编码,刚好32个寄存器。说一句题外话,RISCV的编码设计极其精巧,有兴趣的同学一定要写一下RISCV模拟器,体会一下Patterson大佬的设计有多精巧。

为什么 ARM 和 MIPS 那么多寄存器,x86 那么少?

RISC ISA有一个大概的通性,就是指令的编码非常巧妙,即可以压缩编码,又能快速解码。这应该是CISC远远比不上的,所以现在的CISC芯片里实际上是包了一个RISC芯片的...

最后说一下CISC的寄存器。按照本篇回答的观点,寄存器在16-32个效用最高,再加上x86的历史遗留的寻址问题,(386寻址是上计算机组成的时候过不去的坎...)导致x86不可能支持过多的通用寄存器——一是成本和收益不对等,二是通用寄存器会挤占别的特殊寄存器(比如寻址需要用到的基地址寄存器等)。除此之外,寄存器过多,会使得指令编码难以设计,尤其是解码器难以快速解码。

比如你原来有32个通用寄存器,然后你有一套用在32个寄存器上的CISC指令。现在突然变成64个寄存器,怎么在兼容原有指令的基础之上给新加的32个寄存器编码呢?一种思路是直接在所有指令后面加上几位,用来指示各个寄存器的“新旧”,这样设计的话,本来就复杂的CISC解码器就更复杂了...另外一种思路是在原来的那套指令上就留好冗余,用于扩展,但这样浪费太大,一条指令可能也就32到64位,里面有三到四位留作冗余...

为什么 ARM 和 MIPS 那么多寄存器,x86 那么少?

为什么 ARM 和 MIPS 那么多寄存器,x86 那么少?

为什么 ARM 和 MIPS 那么多寄存器,x86 那么少?

为什么 ARM 和 MIPS 那么多寄存器,x86 那么少?


分享到:


相關文章: