プロセッサレジスタ

プロセッサレジスタは、コンピュータのプロセッサが利用できる高速アクセス可能な記憶領域です。^{[ 1 ]}レジスタは通常、少量の高速記憶領域で構成されていますが、一部のレジスタは特定のハードウェア機能を持ち、読み取り専用または書き込み専用の場合があります。コンピュータアーキテクチャでは、レジスタは通常、メインメモリ以外のメカニズムによってアドレス指定されますが、場合によってはメモリ アドレスが割り当てられることもあります(例: DEC PDP-6 / PDP-10およびICT 1900)。^{[ 2 ]}

ロード/ストア方式のアーキテクチャであろうとなかろうと、ほとんどすべてのコンピュータは、より大きなメモリからレジスタにデータ項目をロードし、そこで算術演算、ビット演算、その他の演算に使用され、機械語命令によって操作またはテストされます。操作された項目は、多くの場合、同じ命令または後続の命令によってメインメモリに書き戻されます。最新のプロセッサは、メインメモリとして静的または動的ランダムアクセスメモリ（RAM）を使用し、後者は通常、1つ以上のキャッシュレベルを介してアクセスされます。

プロセッサレジスタは通常、メモリ階層の最上位に位置し、データにアクセスする最速の方法を提供します。この用語は通常、命令セットで定義されている命令の一部として直接エンコードされるレジスタのグループのみを指します。ただし、最新の高性能CPUでは、レジスタリネーミングによってパフォーマンスを向上させ、並列実行や投機的実行を可能にするために、これらの「アーキテクチャレジスタ」の複製がしばしば存在します。最新のx86設計では、1995年頃にPentium Pro、Cyrix 6x86、Nx586、およびAMD K5がリリースされたことで、これらの技術が採用されました。

コンピュータプログラムが同じデータに繰り返しアクセスすることを「参照の局所性」と呼びます。頻繁に使用される値をレジスタに保持することは、プログラムのパフォーマンスにとって非常に重要です。レジスタの割り当ては、コード生成段階でコンパイラによって行われるか、アセンブリ言語プログラマによって手動で行われます。

レジスタは通常、保持できるビット数で表され、例えば8ビットレジスタ、32ビットレジスタ、64ビットレジスタ、128ビットレジスタなどがあります。一部の命令セットでは、レジスタはさまざまなモードで動作し、記憶領域をより小さな部分（例えば32ビットを4つの8ビット領域）に分割して、複数のデータ（ベクトル、つまり1次元配列）を同時にロードして操作することができます。通常、これはメモリをより大きなレジスタにマッピングする追加のレジスタを追加することで実現されます。複数のデータに対して単一の命令を実行できるプロセッサは、SIMDプロセッサと呼ばれます。

プロセッサには通常、いくつかの種類のレジスタが含まれており、それらは格納できる値の種類や、それらを操作する命令の種類によって分類できます。

• ユーザーがアクセス可能なレジスタは、機械語命令によって読み書きできます。ユーザーがアクセス可能なレジスタの最も一般的な分類は、データレジスタとアドレスレジスタへの分類です。
  • データレジスタには、整数などの数値データ値浮動小数点数、文字、小さなビット配列、その他のデータなど を保持できます
    • 一部の旧型コンピュータでは、アキュムレータと呼ばれる特殊なデータレジスタが、多くの演算に暗黙的に使用されます。例としては、 IBM 704、IBM 709とその後継機種、PDP-1、PDP-4 / PDP-7 / PDP-9 / PDP-15、PDP-5 / PDP-8、HP 2100、Intel 8080などが挙げられます。
  • アドレスレジスタはアドレスを保持し主記憶装置に間接的にアクセスする命令によって使用されます。
    • プロセッサによっては、アドレスのみを保持するレジスタ、または数値のみを保持するレジスタ（場合によっては、あるアドレスからのオフセットとして値が加算されるインデックスレジスタとして使用される）を備えているものもあれば、どちらの種類の値も保持できるレジスタを備えているものもある。オペランドの実効アドレスを指定するために使用されるアドレッシングモードには、非常に多くの種類が存在する。
    • スタックポインタとフレームポインタは、コールスタックを管理するために使用されます。まれに、他のデータスタックは専用のアドレスレジスタによってアドレス指定されます（スタックマシンを参照）。
  • 汎用レジスタ（GPRはデータとアドレスの両方を格納できます。つまり、データ/アドレスレジスタが一体化されています。一部のアーキテクチャでは、レジスタファイル統合されているため、GPRは浮動小数点数も格納できます。
  • 浮動小数点レジスタ（FPR）は、多くのアーキテクチャにおいて浮動小数点数を格納する。
  • 定数レジスタには、ゼロ、イチ、円周率などの読み取り専用の値が格納されます。
  • ベクトルレジスタは、 SIMD命令（単一命令複数データ）によって実行されるベクトル処理のためのデータを保持します
  • ステータスレジスタには真偽値が格納されており、多くの場合、特定の命令を実行すべきか否かを判断するために使用されます。
  • 特殊用途レジスタ（ SPR ）は、プログラムの状態の一部を保持します。通常、プログラムカウンタ（命令ポインタとも呼ばれる）とステータスレジスタが含まれます。プログラムカウンタとステータスレジスタは、プログラムステータスワード（PSW）レジスタに統合される場合もあります。前述のスタックポインタも、このグループに含まれることがあります。マイクロコントローラなどの組み込みマイクロプロセッサには、特殊なハードウェア要素に対応する特殊機能レジスタも備わっている場合があります。
  • 制御レジスタは、 CPUなどのシステムコンポーネントの動作を設定するために使用されます。
    • モデル固有レジスタ（マシン固有レジスタ）は、プロセッサ自体に関連するデータと設定を格納します。これらのレジスタの意味は特定のプロセッサの設計に紐づいているため、プロセッサの世代間で標準化されることは期待されていません。
    • メモリタイプ範囲レジスタ（MTRR）
• 内部レジスタは命令からはアクセスできず、プロセッサの内部動作に使用されます。
  • 命令レジスタには、現在実行中の命令が格納されます。
  • RAM（ CPUとは別のチップ上に配置された記憶レジスタの集合） から情報を取得することに関連するレジスタ：
    • メモリバッファレジスタ（MBR）、別名メモリデータレジスタ（MDR）
    • メモリアドレスレジスタ（MAR）
• 建築登録簿レジスタはソフトウェアからアクセス可能であり、アーキテクチャによって定義されます。基盤となるハードウェアによってレジスタ名の変更が行われている場合、これらのレジスタは物理的なハードウェアと一致しない可能性があります。

ハードウェアレジスタも同様の仕組みだが、CPUの外部に存在する。

SPARCやMIPSなどの一部のアーキテクチャでは、整数レジスタファイルの最初または最後のレジスタは擬似レジスタとして扱われます。これは、読み取り時に常にゼロを返すようにハードワイヤリングされているため（主にインデックスモードを簡素化するため）、上書きすることができません。Alphaでは、浮動小数点レジスタファイルについても同様のことが行われます。このため、レジスタファイルは、実際に使用可能なレジスタ数よりも1つ多いレジスタ数で表記されることがよくあります。例えば、上記のレジスタの定義に当てはまるのは31個だけなのに、32個のレジスタがあると表記されることがあります。

以下の表は、いくつかの主要なCPUアーキテクチャにおけるレジスタ数を示しています。以下に挙げたアーキテクチャはすべて異なりますが、ほぼすべてが、ハンガリー系アメリカ人の数学者ジョン・フォン・ノイマンによって最初に提唱されたフォン・ノイマン・アーキテクチャと呼ばれる基本的な構成になっています。また、 GPUのレジスタ数はCPUのレジスタ数よりもはるかに多いことも注目すべき点です。

プロセッサ上で使用可能なレジスタの数と、それらのレジスタを使用して実行できる演算の種類は、最適化コンパイラによって生成されるコードの効率に大きな影響を与えます。式ツリーのシュトララー数は、その式ツリーを評価するために必要な最小レジスタ数を示します。

• CPUキャッシュ
• 量子レジスタ
• レジスタ割り当て
• 登録ファイル
• シフトレジスター