数据如何进入通用寄存器和其他寄存器，以便 CPU 可以使用它来计算值？

Question

我知道寄存器用作 CPU 访问数据以执行指令的存储单元。 这些指令的汇编语言类似于 ADD R2, R1, R3，本质上是要求我们在 R1 和 R3 中添加内容并将其放入 R2。 我的问题是，数据如何进入寄存器 R1 和 R3，以便 CPU 可以使用这些值来计算结果并将结果存储在 R2 中？ 如果所有寄存器都已满，是否使用类似于从缓存中清除数据的 LRU 方法将数据从寄存器中清除到主 memory？

Answer 1

值使用机器代码指令进出寄存器； 机器代码指令可以：

• 将程序中的常数输入寄存器或 memory
  • 这些通常称为立即加载或移动
• 将用户输入（如击键）输入寄存器或 memory
  • 一些处理器有输入指令，其他从 memory 映射 I/O 加载
• 从 memory 加载数据，长寿命变量和数据结构所在的位置
• 将寄存器值发送到 memory
  • 更新数据结构和其他长期存在的变量
• 将数据发送到 output 设备（如控制台）
• 给定现有值计算新值

如果所有寄存器都满了

这在某种程度上取决于您所说的完整。 从某种意义上说，寄存器始终保存值， CPU中没有空闲/忙碌寄存器的_{概念（以浮点和向量寄存器的一些深层概念为模）} 。 您的硬盘驱动器也是如此。 它正好有 N GB 的存储空间，就硬件而言，这个数字永远不会增长或缩小。

如果所有寄存器都已满，是否使用类似于从缓存中清除数据的 LRU 方法将数据从寄存器中清除到主 memory？

是的，但几乎 100% 在程序控制下：程序知道我们算法中的哪些逻辑变量在 CPU 寄存器中（以及其他在 memory 位置），因此有一个算法转换为具有足够寄存器的程序集的概念（留下一些未使用的）并且还想要比可用的更多的寄存器。 当发生这种情况时（希望超过可用的），编译器编写者和汇编程序员只需转向 memory 进行溢出，编写机器代码指令以根据需要来回传输数据。 不重要的事情可以存在于 memory 中，并且访问时间变慢，从而可以根据需要使用 CPU 寄存器。

（在硬盘驱动器的类比中，所有位始终存在，但并不总是有意义的使用。）

需要明确的是，硬件有许多 LRU 算法，但这些通常围绕缓存架构，包括 L1、L2 和 TLB。

Answer 2

通用寄存器在概念上与编程语言中的变量非常相似

R1 = 3
R3 = 5
R2 = R1 + R3

如何将这些值放入寄存器取决于架构和值。 一些指令集具有可变长度指令，可以支持任何可能的值

mov r1,0x12345678

别人可以加载半个寄存器

lui r1,0x12340000 

对于真正的处理器来说语法不正确，但是 ISA 将允许控制上半部分，然后您将使用

ori r1,0x5678

最终结果是 r1 = 0x12345678

另一种解决方案是从附近的位置加载

ldr r1,hello
...
hello: .word 0x12345678

这将使用 pc 相对寻址，汇编程序会在生成指令时为您进行数学运算，但例如实际指令将类似于从 pc+16 地址的 memory 加载到寄存器 r1 中。

寄存器是离散的，它们的数量是固定的，它们没有被缓存或先进先出或类似的东西。

从程序员或编译器的角度来看，如果您只有 8 个寄存器，并且您管理的数据项、变量、地址等超过 8 个，并且您使用的架构要求您使用寄存器一切，那么您通常会使用堆栈来临时存储变量。

r1 = 0x12345678  (variable hello)
r2 = 0x55443366  (variable world)
...
I need another variable as the programmer I decide that I can live with out hello for a while
push {r1}
r1 = r2+r3     (variable foo)
str r1,[r4]    (the computed value was generated to store in memory)
foo is no longer neaded, but I need hello back
pop {r1}

采用高级语言并生成低级语言（通常是汇编语言或机器代码）的编译器将通过 function 和 select 来跟踪变量，这些寄存器在何时使用。 在 function 的执行过程中，一个特定的寄存器可能会保存多个变量或地址或其他数据……显然一次只能保存一件事。 我们会像人类一样用手做同样的事情，但要根据算法。