Mis on register?

Kui teid arvutid eriti ei huvita, antaks teile andeks, kui eeldate, et arvuti ainsad mäluvormid on kõvaketas ja RAM. Need, kes tunnevad huvi arvutite vastu, teavad tõenäoliselt, et see pole nii ja et protsessoril on ka vahemälu, mida kasutatakse RAM-i andmete vahemällu salvestamiseks, et protsessor saaks sellele kiiremini juurde pääseda. Kõik need on reklaamitud funktsioonid, peamiselt seetõttu, et kiirus ja/või võimsus on korralik müügiargument ja mõjutavad üldiselt jõudlust.

Siiski on tegelikult veel üks mälukiht. Nii palju kui võite arvata, et L1 vahemälu on tegelikule töötlemistuumale võimalikult lähedal, on mäluhierarhias veel üks kõrgem kiht. Need on protsessori registrid. Põhjus, miks neid tegelikult ei reklaamita ega mainita, on see, et neid tegelikult üldse ei muudeta. Tehniliselt võivad need olla, kuid registrite arv ja suurus on arhitektuuri jaoks tegelikult põhiline. See tähendab, et kõigil x86-64 protsessoritel on sama arv registreid. Neid ei turustata, sest nad ei ole konkureerivad punktid.

Mida register teeb?

Register on protsessori jaoks kiiresti kättesaadav salvestuskoht. Juurdepääs registrile on viivitamatu null latentsusega, samas kui isegi L1 vahemällul on tänapäevaste protsessorite latentsusaeg ligikaudu 4–5 tsüklit. See juurdepääsu otsesus vihjab registrite kasutusjuhtudele. Registreid kasutatakse CPU poolt aktiivselt kasutatavate juhiste salvestamiseks. Nad salvestavad ka töödeldavaid andmepunkte. Mõned registrid on üldotstarbelised, teised aga väga konkreetse eesmärgiga. Eriotstarbelise registri näide on programmiloendur, mis on koht, kus protsessor jälgib oma asukohta oma programmijadas.

Paljud registrid on kasutajale juurdepääsetavad. See ei tähenda, et arvutikasutaja saab valida, millise väärtuse neile lisada. See tähendab, et töötav tarkvara saab määrata nendesse registritesse laaditavad andmed. Väiksem arv registreid on sisemised, mis tähendab, et tarkvara ei saa neid üldse käsitleda. Käskude register, mis salvestab hetkel täidetava käsu, on näide sisemisest registrist.

Registreeri ümbernimetamine

Kuigi protsessori arhitektuur võib lubada ainult ühte registrite konfiguratsiooni, on selles tegelikult natuke nüansse. Kõik kaasaegsed protsessorid kasutavad registri ümbernimetamist. See on tehnika, mille puhul saate omada rohkem füüsilisi registreid ja kasutada neid andmete eellaadimiseks või andmete salvestamiseks, mis on seotud mittekorras käsuga, mis muidu oleks üle kirjutatud. Kui protsessor jõuab selleni, et ta vajab lisaregistrites olevaid andmeid, nimetab ta need lihtsalt ümber nii, et see oleks adresseeritav, muutes samal ajal varem adresseeritava registri adresseerimatuks.

Registri ümbernimetamise protsess võib olla väga kasulik ebakorrapärase täitmise korral. Näiteks kui mälukoht on programmeeritud lugemiseks ja selle kirjutamiseks ning juhised täideti selles järjekorras, on see hea. Kui aga käskude järjestust ümber paigutada nii, et kõigepealt kirjutatakse, saab lugemiskäsk vale väärtuse. Selle vältimiseks salvestatakse algne loetav väärtus kasutamata registrisse, mis seejärel vastava käsu töötlemisel ümber nimetatakse.

Järeldus

Registrid on mäluhierarhia kõrgeim tase. Need on ainsad osad, mida CPU saab otse adresseerida ja neil puudub latentsusaeg. CPU poolt aktiivselt täidetavate andmete salvestamiseks kasutatakse registreid. Neid kasutatakse ka muude andmepunktide salvestamiseks, näiteks programmiloendur, mis jälgib, milline käsk tuleb järgmisena täita. Väga piiratud arv registreid on saadaval x86-64 arhitektuuriga, millel on 16 üldotstarbelist registrit ja kas 16 või 32 ujukomaregistrit, sõltuvalt sellest, kas AVX-512 on toetatud.