《寄存器組成》課件

寄存器組成課程概述課程目標(biāo)掌握寄存器基本原理主要內(nèi)容寄存器結(jié)構(gòu)、類型、應(yīng)用學(xué)習(xí)方法什么是寄存器？定義處理器內(nèi)部的高速存儲單元功能臨時存儲數(shù)據(jù)、指令和地址重要性寄存器的基本結(jié)構(gòu)觸發(fā)器基本存儲元件鎖存器電平敏感存儲單元數(shù)據(jù)存儲單元位元陣列組織寄存器的類型通用寄存器多用途數(shù)據(jù)存儲專用寄存器特定功能使用2狀態(tài)寄存器存儲處理器狀態(tài)標(biāo)志數(shù)據(jù)寄存器1功能臨時存儲處理的數(shù)據(jù)2應(yīng)用場景算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸3示例x86的EAX、EBX地址寄存器功能存儲內(nèi)存地址信息內(nèi)存訪問作用指向當(dāng)前操作的內(nèi)存位置示例x86中的ESI、EDI指令寄存器功能存儲當(dāng)前執(zhí)行的指令執(zhí)行過程作用保持指令可供解碼和執(zhí)行示例IR在馮·諾依曼架構(gòu)中的應(yīng)用程序計(jì)數(shù)器功能指向下一條要執(zhí)行的指令程序執(zhí)行作用維護(hù)指令執(zhí)行順序示例x86中的EIP/RIP累加器功能存儲算術(shù)運(yùn)算結(jié)果算術(shù)運(yùn)算應(yīng)用加速常見計(jì)算示例x86的AX/EAX/RAX狀態(tài)寄存器功能存儲處理器狀態(tài)標(biāo)志常見標(biāo)志位零標(biāo)志、進(jìn)位標(biāo)志、溢出標(biāo)志程序執(zhí)行作用條件分支、異常處理寄存器組應(yīng)用提高指令執(zhí)行效率組成多個相同類型寄存器集合定義結(jié)構(gòu)相同的寄存器集合寄存器堆1結(jié)構(gòu)多端口存儲陣列功能支持并行訪問操作與寄存器組區(qū)別更復(fù)雜的組織和訪問方式寄存器的位寬8位寄存器早期處理器，如808016位寄存器x86初代，如808632位寄存器x86擴(kuò)展，如8038664位寄存器現(xiàn)代處理器，如x86-64寄存器尋址方式直接尋址指令直接指定寄存器間接尋址寄存器存儲操作數(shù)地址立即數(shù)尋址操作數(shù)直接包含在指令中寄存器傳送指令數(shù)據(jù)移動指令MOV、LOAD、STORE常見指令格式源寄存器→目標(biāo)寄存器示例MOVAX,BX寄存器與內(nèi)存的交互數(shù)據(jù)讀取內(nèi)存→寄存器(LOAD)數(shù)據(jù)寫入寄存器→內(nèi)存(STORE)示例LDRR1,[R2];STRR3,[R4]寄存器與ALU的關(guān)系1數(shù)據(jù)輸入寄存器提供ALU操作數(shù)2運(yùn)算過程ALU執(zhí)行計(jì)算3結(jié)果存儲計(jì)算結(jié)果返回寄存器寄存器在流水線中的作用指令流水線隔離各階段數(shù)據(jù)流水線傳遞中間結(jié)果寄存器重命名解決數(shù)據(jù)沖突寄存器溢出定義計(jì)算結(jié)果超出寄存器容量原因數(shù)據(jù)位寬大于寄存器位寬處理方法溢出標(biāo)志、多精度運(yùn)算寄存器優(yōu)化技術(shù)寄存器分配合理分配有限寄存器資源寄存器窗口重疊窗口減少上下文切換開銷寄存器旋轉(zhuǎn)循環(huán)優(yōu)化，提高指令級并行度RISC架構(gòu)中的寄存器通用寄存器浮點(diǎn)寄存器專用寄存器控制寄存器RISC架構(gòu)特點(diǎn)：大量通用寄存器、簡化指令集、負(fù)載/存儲架構(gòu)CISC架構(gòu)中的寄存器特點(diǎn)少量專用寄存器復(fù)雜寄存器使用模式應(yīng)用x86系列處理器多樣化指令支持與RISC比較寄存器命名不規(guī)則寄存器用途更專門化x86架構(gòu)中的寄存器通用寄存器EAX、EBX、ECX、EDXESI、EDI、ESP、EBP段寄存器CS、DS、SS、ESFS、GS控制寄存器CR0-CR4EFLAGSARM架構(gòu)中的寄存器1通用寄存器R0-R12：通用數(shù)據(jù)2狀態(tài)寄存器CPSR：程序狀態(tài)3特殊功能寄存器R13(SP)、R14(LR)、R15(PC)MIPS架構(gòu)中的寄存器寄存器命名約定$0-$31，按功能分類寄存器用途$0(零)，$1(匯編器臨時)，$2-$3(函數(shù)返回值)調(diào)用約定$4-$7(參數(shù))，$8-$15,$24-$25(臨時)，$16-$23(保存)特殊用途$26-$27(內(nèi)核)，$28(全局指針)，$29(棧指針)浮點(diǎn)寄存器功能存儲浮點(diǎn)數(shù)據(jù)2結(jié)構(gòu)擴(kuò)展位寬，支持IEEE754浮點(diǎn)運(yùn)算應(yīng)用科學(xué)計(jì)算、圖形處理向量寄存器SIMD指令集SSE、AVX、NEON向量運(yùn)算單指令處理多數(shù)據(jù)應(yīng)用場景多媒體處理、科學(xué)計(jì)算寄存器文件訪問方式多讀多寫端口2結(jié)構(gòu)多端口SRAM陣列3定義處理器中的寄存器組織單元寄存器別名技術(shù)定義多個名稱指向同一寄存器實(shí)現(xiàn)方法映射表、重疊寄存器優(yōu)勢向后兼容性、靈活訪問寄存器重命名目的消除假數(shù)據(jù)依賴實(shí)現(xiàn)方法物理寄存器池、映射表亂序執(zhí)行應(yīng)用提高指令級并行度寄存器旁路技術(shù)定義直接轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果到下一指令1實(shí)現(xiàn)方法旁路網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)前推流水線應(yīng)用減少數(shù)據(jù)相關(guān)停頓寄存器保護(hù)與恢復(fù)1函數(shù)調(diào)用過程保存調(diào)用者寄存器2棧幀局部變量和保存寄存器空間3示例PUSH/POP指令序列寄存器溢出與寄存器分配寄存器壓力變量數(shù)量超過可用寄存器分配算法圖著色、線性掃描優(yōu)化策略活躍區(qū)間分析、變量合并寄存器窗口技術(shù)SPARC架構(gòu)特有技術(shù)重疊窗口減少參數(shù)傳遞開銷函數(shù)調(diào)用快速切換上下文寄存器在異常處理中的作用1異常發(fā)生時保存程序計(jì)數(shù)器和狀態(tài)寄存器處理過程執(zhí)行異常處理程序異常返回時恢復(fù)寄存器狀態(tài)寄存器在中斷處理中的作用中斷上下文保存自動或軟件保存處理器狀態(tài)中斷服務(wù)程序使用專用棧和保存的寄存器示例x86中的IRET指令恢復(fù)現(xiàn)場寄存器與緩存的關(guān)系寄存器與存儲層次結(jié)構(gòu)1寄存器最快速度、最小容量2緩存中等速度、自動管理3主內(nèi)存大容量、速度較慢寄存器的時序特性同步寄存器時鐘邊沿觸發(fā)穩(wěn)定可預(yù)測的時序異步寄存器信號電平控制靈活但時序復(fù)雜時鐘域crossing跨時鐘域傳輸需要特殊同步技術(shù)寄存器的功耗考慮靜態(tài)功耗漏電流導(dǎo)致的能量消耗動態(tài)功耗狀態(tài)切換的能量消耗低功耗設(shè)計(jì)時鐘門控、電源門控技術(shù)寄存器的可靠性錯誤檢測與糾正ECC、奇偶校驗(yàn)冗余設(shè)計(jì)三模冗余、備份寄存器容錯技術(shù)檢測點(diǎn)、恢復(fù)機(jī)制寄存器在多核處理器中的應(yīng)用1核間通信共享寄存器、消息傳遞共享資源管理互斥訪問、原子操作一致性維護(hù)緩存一致性協(xié)議寄存器在GPU中的應(yīng)用寄存器在DSP中的應(yīng)用循環(huán)緩沖區(qū)高效實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器MAC單元專用乘加累積單元示例FIR濾波器實(shí)現(xiàn)寄存器在FPGA中的實(shí)現(xiàn)100K+觸發(fā)器資源現(xiàn)代FPGA包含大量觸發(fā)器6LUT輸入典型查找表輸入數(shù)400MHz時鐘頻率高端FPGA時序約束寄存器在ASIC設(shè)計(jì)中的考慮標(biāo)準(zhǔn)單元庫選擇合適的觸發(fā)器單元時序收斂滿足建立時間和保持時間功耗優(yōu)化時鐘門控、低功耗單元寄存器掃描技術(shù)設(shè)計(jì)可測試性掃描鏈路構(gòu)建JTAG邊界掃描IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)2測試模式正常模式與測試模式切換寄存器在編譯器優(yōu)化中的角色寄存器分配變量到寄存器的映射指令調(diào)度重排指令減少寄存器壓力代碼生成目標(biāo)架構(gòu)特定優(yōu)化寄存器在虛擬機(jī)中的模擬1軟件模擬硬件寄存器變量表示物理寄存器2性能考慮內(nèi)存訪問開銷、JIT編譯3示例QEMU、VirtualBox寄存器安全性考慮信息泄露敏感數(shù)據(jù)殘留側(cè)信道攻擊Spectre、Meltdown保護(hù)措施寄存器清零、權(quán)限隔離寄存器在操作系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)程上下文切換保存所有寄存器系統(tǒng)調(diào)用通過特定寄存器傳遞參數(shù)特權(quán)級切換時保護(hù)關(guān)鍵寄存器寄存器在實(shí)時系統(tǒng)中的應(yīng)用任務(wù)切換快速保存和恢復(fù)寄存器中斷延遲減少寄存器保存開銷優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題通過寄存器狀態(tài)監(jiān)控寄存器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用資源受限環(huán)境寄存器高效利用代碼優(yōu)化內(nèi)聯(lián)匯編直接控制示例ARMCortex-M系列寄存器在高性能計(jì)算中的應(yīng)用向量處理大規(guī)模SIMD寄存器并行計(jì)算多核協(xié)同數(shù)據(jù)共享示例NVIDIAGPU、IntelAVX-512寄存器技術(shù)的未來趨勢3D堆疊技術(shù)提高集成度和訪問效率非易失性寄存器斷電保持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)量子寄存器存儲量子比特狀態(tài)寄存器相關(guān)的設(shè)計(jì)工具RTL設(shè)計(jì)Verilog、VHDL描述綜合工具SynopsysDC、Ca