ทะเบียนคืออะไร?

หากคุณไม่ได้สนใจคอมพิวเตอร์เป็นพิเศษ คุณจะได้รับการให้อภัยเพราะคิดว่าหน่วยความจำรูปแบบเดียวในคอมพิวเตอร์คือฮาร์ดไดรฟ์และ RAM บรรดาผู้ที่มีความสนใจในคอมพิวเตอร์อาจทราบดีว่าไม่ได้เป็นเช่นนั้น และ CPU ยังมีชุดของแคชที่ใช้สำหรับแคชข้อมูลจาก RAM เพื่อให้ CPU สามารถเข้าถึงได้เร็วขึ้น ทั้งหมดนี้เป็นคุณลักษณะที่โฆษณา เนื่องจากความเร็วและ/หรือความจุเป็นจุดขายที่เหมาะสม และโดยทั่วไปจะส่งผลต่อระดับประสิทธิภาพ

ที่จริงแล้วมีหน่วยความจำอีกชั้นหนึ่ง เท่าที่คุณอาจคิดว่าแคช L1 นั้นใกล้เคียงกับคอร์ประมวลผลจริงมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ยังมีลำดับชั้นของหน่วยความจำที่สูงกว่าอีกชั้นหนึ่ง นี่คือการลงทะเบียน CPU เหตุผลที่สิ่งเหล่านี้ไม่ได้โฆษณาหรือกล่าวถึงจริงๆ ก็คือพวกเขาไม่ได้เปลี่ยนแปลงเลยจริงๆ ในทางเทคนิคแล้ว จำนวนและขนาดของการลงทะเบียนอาจเป็นพื้นฐานของสถาปัตยกรรม ซึ่งหมายความว่าซีพียู x86-64 ทั้งหมดมีจำนวนการลงทะเบียนเท่ากัน พวกเขาไม่ได้ทำการตลาดเพราะพวกเขาไม่ใช่จุดแข่งขัน

การลงทะเบียนทำอะไร?

รีจิสเตอร์เป็นที่เก็บข้อมูลที่พร้อมใช้งานอย่างรวดเร็วสำหรับโปรเซสเซอร์ เข้าถึงรีจิสเตอร์ได้ทันทีโดยไม่มีเวลาแฝง ในขณะที่แคช L1 ก็มีเวลาแฝงประมาณ 4-5 รอบใน CPU สมัยใหม่ ความฉับไวของคำแนะนำในการเข้าถึงในกรณีการใช้งานสำหรับการลงทะเบียน รีจิสเตอร์ใช้เพื่อจัดเก็บคำสั่งที่ใช้งานโดย CPU พวกเขายังเก็บจุดข้อมูลที่จะประมวลผล การลงทะเบียนบางอย่างมีวัตถุประสงค์ทั่วไปในขณะที่บางรายการมีจุดประสงค์เฉพาะเจาะจง ตัวอย่างของการลงทะเบียนวัตถุประสงค์พิเศษคือตัวนับโปรแกรมซึ่งเป็นตำแหน่งที่โปรเซสเซอร์ติดตามตำแหน่งในลำดับโปรแกรม

การลงทะเบียนจำนวนมากถือว่าผู้ใช้สามารถเข้าถึงได้ ซึ่งไม่ได้หมายความว่าผู้ใช้คอมพิวเตอร์สามารถเลือกค่าที่จะใส่ลงไปได้ หมายความว่าซอฟต์แวร์ที่รันอยู่สามารถระบุข้อมูลที่จะโหลดลงในรีจิสเตอร์เหล่านี้ได้ การลงทะเบียนภายในมีจำนวนน้อยกว่า ซึ่งหมายความว่าซอฟต์แวร์ไม่สามารถจัดการได้เลย รีจิสเตอร์คำสั่งซึ่งเก็บคำสั่งที่กำลังดำเนินการอยู่เป็นตัวอย่างของรีจิสเตอร์ภายใน

จดทะเบียนเปลี่ยนชื่อ

แม้ว่าสถาปัตยกรรมของ CPU อาจอนุญาตให้มีการกำหนดค่าการลงทะเบียนเพียงรายการเดียว แต่ก็มีความแตกต่างเล็กน้อยสำหรับสิ่งนั้น ซีพียูสมัยใหม่ทั้งหมดใช้ประโยชน์จากการเปลี่ยนชื่อรีจิสเตอร์ นี่เป็นเทคนิคที่คุณสามารถมีรีจิสเตอร์ทางกายภาพมากขึ้นและใช้เพื่อโหลดข้อมูลล่วงหน้าหรือเก็บข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับคำสั่งนอกคำสั่งที่อาจถูกเขียนทับ เมื่อ CPU ไปถึงจุดที่ต้องการข้อมูลในรีจิสเตอร์เพิ่มเติม ก็จะเปลี่ยนชื่อเพื่อให้สามารถระบุที่อยู่ได้ ในขณะเดียวกับที่ทำให้รีจิสเตอร์ที่สามารถระบุที่อยู่ได้ก่อนหน้านี้ไม่สามารถระบุที่อยู่ได้

ขั้นตอนการเปลี่ยนชื่อทะเบียนมีประโยชน์มากสำหรับการดำเนินการนอกคำสั่ง ตัวอย่างเช่น หากตำแหน่งหน่วยความจำถูกตั้งโปรแกรมให้อ่านจากนั้นจึงเขียนไป และคำสั่งถูกดำเนินการตามลำดับนั้นถือว่าใช้ได้ อย่างไรก็ตาม หากคำสั่งถูกจัดลำดับใหม่เพื่อดำเนินการเขียนก่อน คำสั่งอ่านจะได้รับค่าที่ไม่ถูกต้อง เพื่อป้องกันสิ่งนี้ ค่าดั้งเดิมที่จะอ่านจะถูกเก็บไว้ในรีจิสเตอร์ที่ไม่ได้ใช้ ซึ่งจะถูกเปลี่ยนชื่อเมื่อประมวลผลคำสั่งที่เกี่ยวข้อง

บทสรุป

การลงทะเบียนเป็นระดับสูงสุดในลำดับชั้นของหน่วยความจำ เป็นส่วนเดียวที่ CPU สามารถระบุตำแหน่งได้โดยตรงและไม่มีความหน่วงแฝง การลงทะเบียนใช้เพื่อเก็บข้อมูลที่กำลังดำเนินการโดย CPU นอกจากนี้ยังใช้เพื่อจัดเก็บจุดข้อมูลอื่นๆ เช่น ตัวนับโปรแกรมซึ่งจะติดตามว่าคำสั่งใดเป็นคำสั่งถัดไปที่จะดำเนินการ มีการลงทะเบียนจำนวนจำกัดมากสำหรับสถาปัตยกรรม x86-64 ซึ่งมีการลงทะเบียนวัตถุประสงค์ทั่วไป 16 รายการและการลงทะเบียนทศนิยม 16 หรือ 32 จุด ขึ้นอยู่กับว่ารองรับ AVX-512 หรือไม่