寄存器

什么是寄存器

寄存器是处理器核心里一小块极速的存储空间，由触发器（flip-flop）直接构成，物理上就在执行单元旁边。CPU 做任何计算，操作数必须先装入寄存器，结果也先写回寄存器，再视情况刷入缓存或内存。x86 平台从 8086 时代的 8 个 16 位通用寄存器（AX/BX/CX/DX/SI/DI/SP/BP），到 AMD64 扩展为 16 个 64 位寄存器（RAX～R15），每一代扩展都向下兼容。

除通用寄存器外，还有专用寄存器：程序计数器（PC/RIP）记录下一条指令地址，标志寄存器（RFLAGS）保存运算状态位（进位/零/溢出），段寄存器在保护模式下参与地址翻译。x87 浮点单元另有 8 个 80 位浮点栈寄存器，SSE/AVX 则引入了 XMM/YMM/ZMM 系列向量寄存器，ZMM 宽达 512 位，可一次并行处理 8 个 64 位双精度浮点数。[1]

物理寄存器与寄存器重命名

软件看到的是架构寄存器（architectural registers），数量固定；芯片内部实际有更多物理寄存器，Intel Sunny Cove 微架构（Ice Lake，2019）有 280 个整数物理寄存器和 224 个浮点物理寄存器。乱序执行引擎通过寄存器重命名（register renaming）把架构寄存器映射到物理寄存器，消除写后写（WAW）、读后写（WAR）的假依赖，让互不相关的指令并行执行。这一技术由 Robert Tomasulo 在 1967 年为 IBM 360/91 浮点单元发明，称为 Tomasulo 算法，是现代超标量 CPU 的基础之一。