Registr procesoru

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Registr procesoru je v informatice malé úložiště dat umístěné v mikroprocesoru, jejichž obsah lze načíst rychleji než data uložená jinde. U mnoha, ale ne u všech moderních počítačových architektur fungují na principu přesunu dat z hlavní paměti do registrů, práce s daty a následně je výsledek přesunut zpět do hlavní paměti. Počítačové programy užívají stejná data a odkazují se na ně: stejná data jsou často užívána opakovaně a uložení těchto často používaných hodnot do registrů zlepšuje výkonnost programů.

Registry procesoru jsou v horní části paměťové hierarchie, a poskytují nejrychlejší cestu pro CPU k získání dat. Tento termín je často používán pouze pro skupiny registrů, které jsou přímo dostupné pomocí strojových instrukcí, definovaných v instrukční sadě. Například v architektuře x86 instrukční sada definuje soubor osmi 32bitových registrů, ale základní jednotky procesoru, které implementují instrukční sadu x86 často obsahují mnohem více než jen těchto osm registrů.

Velikost registrů bývá zpravidla stejná jako velikost slova procesoru nebo jeho násobku.

Alokace často používaných proměnných do registrů může zvýšit výkonnost programů. Tato akce — alokace registrů se provádí pomocí kompilátoru ve fázi generování kódu.

Registry v procesoru lze rozdělit na „viditelné“, jejichž obsah dokáže program přímo modifikovat nebo číst a neviditelné, které jsou programově nepřístupné a jsou použity v procesoru na dočasné ukládání informací nebo stavů procesoru. Také je možné, aby jeden registr měl viditelnou a neviditelnou část.

U jednodušších procesorů (např. mikrokontrolér) je minimálně implementován jeden viditelný registr — akumulátor aritmeticko-logické jednotky. Běžný počet jsou jednotky až desítky registrů procesoru. Složitější procesory mají viditelných registrů více (u speciálních DSP procesorů se může jednat až o stovky registrů).

Čistě zásobníkové procesory mohou registry v běžném smyslu postrádat — procesor sice má registrovou paměť, ale je spravována jako cache vrchní části zásobníku (s tím, že vrchol zásobníku slouží jako akumulátor).  Zásobníky typu : LIFO (last in, first out) a FIFO (first in, first out).

Kategorie registrů[editovat | editovat zdroj]

Registry se obvykle dělí podle počtu bitů, které mohou obsahovat, například jako "8bitový registr" nebo "32bitový registr". Registry jsou dnes obvykle implementovány jako soubor registrů.

Procesor často obsahuje několik typů registrů, které mohou být klasifikovány podle jejich obsahu, nebo instrukcí sloužících pro práci s nimi:

  • Uživatelsky-přístupné registry — Nejčastější rozdělení je do datových registrů a adresových registrů.
  • Datové registry jsou používány pro uložení číselných hodnot, jako jsou integer a hodnoty s pohyblivou desetinnou čárkou. V některých starších a jednodušších procesorech se užívá speciální datový registr, známý jako accumulator neboli střadač. Ten se používá pro mnoho operací.
  • Adresové registry v sobě uchovávají adresy a používají se instrukce pro nepřímý přístup do paměti počítače.
    • Některé procesory obsahují registry, které mohou být použity pouze pro uložení adresy nebo pro uložení číselné hodnoty (v některých případech použity jako indexové registry, jejichž hodnota se doplňuje jako offset z některých adres); jiné dostupné registry mohou obsahovat jak adresu tak data. Existuje široká škála možných způsobů adresování, které se používají pro efektivní práci s operandy.
    • Ukazatel zásobníku (stack pointer), se někdy nazývá stack register, který udává relativní adresu poslední přidané položky, tzv. vrchol zásobníku.
  • Podmínkové registry obsahují pravdivostní hodnotu často využívanou k zjištění, zda některá instrukce měla nebo neměla být vykonána.
  • Obecně účelné registry (GPR) — lze ukládat jak data tak adresy, tj. jsou kombinovány Datové/Adresní registry.
  • Registry s plovoucí řádovou čárkou (FPR) — pro uložení čísel s plovoucí řádovou čárkou v mnoha strukturách.
  • Konstantní registry — pouze pro čtení takové hodnoty, jako je nula, jedna, nebo pi.
  • Vektorové registry mají údaje pro vektorové zpracování prováděné SIMD instrukcemi (Single Instruction, Multiple Data).
  • Speciální registry udržují stav programu; obvykle obsahují Čítač instrukcí (PC — Program Counter), ukazatel zásobníku a stavový registr (PSW — processor status word).
    • Instrukční registry obsahují právě probíhající instrukci.

Příklady počtu registrů[editovat | editovat zdroj]

Architektura Integer
registers
Double FP
registers
x86 8 8
x86-64 16 16
Itanium 128 128
UltraSPARC 32 32
PowerPC 32 32
DEC Alpha 32 32
MOS Technology 6502 3 0
Mikrokontrolér PIC 1 0
ARM 16 16

Tabulka ukazuje počet registrů několika tradičních architektur.

Příklady registrů architektury x86[editovat | editovat zdroj]

  • Obecné registry - AX, BX, CX, DX. Tyto registry jsou nejpoužívanější a mají 16bitů. Ve skutečnosti jsou ale 32bitové. Potom je označujeme jako EAX, EBX, ECX, EDX.
    • AX — Accumulator, neboli střadač
    • BX — Base, neboli bázový registr
    • CX — Counter, neboli počítač cyklů
    • DX — Data, neboli datový registr

Jak už bylo řečeno, registry jsou 32bitové, pod označením AX, BX, CX, DX je přístupných pouze 16 dolních bitů. Ty ještě rozdělujeme na AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH a DL, neboli horních (high ) 8 bitů a dolních (low) 8 bitů.

  • Obecné registry - SP, BP, SI, DI. Tyto registry se používají pro uložení offsetu a jsou 32 bitové.
    • SP — obsahuje offset adresy vrcholu zásobníku. (Stack Pointer)
    • BP — určen pro ukládání offsetu při práci se zásobníkem (Base Pointer)
    • SI — určen pro uložení offsetu zdroje (Source Index)
    • DI — určen pro uložení offsetu cíle (Destination Index)

U těchto registrů se nedostanete přímo k 16 bitové, nebo dokonce 8 bitové části.

  • Segmentové registry — CS, DS, ES, FS, GS, SS. Tyto registry jsou 16bitové. Používají se pro uložení segmentové části.
    • CS — Code Segment. Segment kódu programu. Nelze přímo číst ani do něj zapisovat.
    • DS — Data Segment — Segment dat programu.
    • ES — Extra segment
    • FS — Volné použití
    • GS — Volné použití
    • SS — Segment zásobníku.

Všechny segmentové registry nelze přímo měnit.

  • Speciální registry — IP a FLAGS
    • IP — Instruction Pointer. Ukazuje offset právě vykonávané instrukce. Přímo nelze měnit.
    • FLAGS — registr příznaků. Tento registr není interpretován jako jedno číslo, ale jeho jednotlivé bity mají smysl příznaků:
      • OF — Overflow Flag. Příznak přetečení. Nastaví se na 1, je-li výsledek aritmetické operace větší než cílová hodnota.
      • DF — Direction Flag. Řídí směr zpracovávání řetězových operací. Při hodnotě 1 se řetězce zpracovávají odpředu.
      • IF — Interrupt Flag. Je-li 1 je povoleno přerušení, jinak je přerušení zakázáno.
      • TF — Trap Flag. Využívá se při krokování.
      • SF — Sign Flag. Je to samé jako nejvyšší bit výsledku. Pro záporná čísla platí SF=1.
      • ZF — Zero Flag. Je-li výsledek operace 0, ZF=1.
      • AF — Auxiliary Carry Flag. Pomocný příznak přenosu.
      • PF — Parity Flag. Příznak parity. Hodnota tohoto příznaku je 1, pokud dolních 8 bitů právě provedené operace obsahuje sudý počet „1“.
      • CF — Carry flag. Příznak přenosu. Slouží pro přenos mezi čísly o více slovech.

Užití registru[editovat | editovat zdroj]

Počet registrů který je k dispozici procesoru a operace, které lze provést pomocí těchto registrů mají významný dopad na kvalitu vygenerovaných kódů optimalizovanými překladači. Minimální počet potřebný registrů vyhodnotíme pomocí stromu doplněný o Strahlerovo číslo.

Související články[editovat | editovat zdroj]