什麼是註冊機？

如果您對計算機不是特別感興趣，您可能會認為計算機中唯一的內存形式是硬盤驅動器和 RAM。對計算機感興趣的人可能知道，事實並非如此，CPU 也有一組緩存，用於緩存 RAM 中的數據，以便 CPU 可以更快地訪問它。所有這些都是廣告功能，主要是因為速度和/或容量是一個不錯的賣點並且通常會影響性能水平。

但是實際上還有另一層內存。儘管您可能認為 L1 緩存盡可能接近實際處理核心，但內存層次結構中還有另一個更高層。這些是 CPU 寄存器。這些沒有真正被宣傳或提及的原因是它們根本沒有真正改變。從技術上講，它們可能是，但是，寄存器的數量和大小實際上是架構的基礎。這意味著所有 x86-64 CPU 都有相同數量的寄存器。它們沒有上市，因為它們不是競爭點。

寄存器有什麼作用？

寄存器是處理器快速可用的存儲位置。對寄存器的訪問是即時的，延遲為零，而在現代 CPU 中，即使是 L1 緩存也有大約 4-5 個週期的延遲。這種訪問的即時性暗示了寄存器的用例。寄存器用於存儲 CPU 主動操作的指令。它們還存儲要處理的數據點。一些寄存器是通用的，而另一些則有非常特殊的用途。專用寄存器的一個例子是程序計數器，處理器在它的程序序列中跟踪它的位置。

許多寄存器被認為是用戶可訪問的。這並不意味著計算機的用戶可以選擇在其中放入什麼值。這意味著運行的軟件可以指定要加載到這些寄存器中的數據。較少數量的寄存器是內部的，這意味著軟件根本無法尋址它們。存儲當前正在執行的指令的指令寄存器是內部寄存器的示例。

註冊更名

雖然 CPU 架構可能只允許單一的寄存器配置，但實際上這有一些細微差別。所有現代 CPU 都使用寄存器重命名。這是一種您可以擁有更多物理寄存器並使用它們來預加載數據或存儲與亂序指令相關的數據的技術，否則這些指令將被覆蓋。當 CPU 達到它需要額外寄存器中的數據的程度時，它只是簡單地重命名它以便它是可尋址的，同時使以前可尋址的寄存器不可尋址。

寄存器重命名的過程對於亂序執行非常有幫助。例如，如果一個內存位置被編程為先讀後寫，並且指令按該順序執行，這很好。但是，如果將指令重新排序為先執行寫入，則讀取指令將獲得錯誤的值。為防止這種情況，要讀取的原始值存儲在未使用的寄存器中，然後在處理相關指令時重命名該寄存器。

結論

寄存器是內存層次結構中的最高層。它們是唯一可由 CPU 直接尋址且沒有延遲的部分。寄存器用於存儲 CPU 主動執行的數據。它們還用於存儲其他數據點，例如跟踪下一條要執行的指令的程序計數器。具有 16 個通用寄存器和 16 或 32 個浮點寄存器的 x86-64 架構可用的寄存器數量非常有限，具體取決於是否支持 AVX-512。