This question is in the context of writing a C compiler for a 16 bit homebrew CPU.
I have 12 bits of operand for ALU instructions (such as ADD, SUB, AND, etc.).
I could give instructions three operands from 16 registers or two operands from 64 registers.
e.g.
SUB A <- B - C (registers r0-r15)
vs
SUB A <- A - B (registers r0-r63)
Are sixteen registers, with three-operand instructions, more useful than 64 registers with two-operand instructions, to C compilers and their authors?
答案 0 :(得分：4)
16个带有非破坏性3操作数指令的寄存器可能更好。
但是，您还应该考虑使用这些指令位做一些有趣的事情。对于自制软件，您可能不关心为将来的扩展保留任何内容，并且不希望添加大量额外的操作码(like PPC does)。
ARM采用了一种有趣的方法，即每条指令都有一个操作数通过the barrel shifter，因此每条指令都是免费的“shift-and-whatever”指令。即使在“拇指”模式下也支持此功能，其中最常见的指令仅为16位。 （ARM模式具有传统的RISC 32位固定指令大小。它将4个位专用于每条指令的预测执行。）我记得看过一项关于在理论架构中对于SPECint或其他东西加倍的寄存器数量的研究。 8-> 16可能是5或10％，16-> 32只有几个百分点，而32-> 64甚至更小。
所以16个整数寄存器在大多数情况下“足够”，除非你经常使用int32_t，因为每个这样的值将需要两个16位寄存器。 x86-64只有16个GP寄存器，并且大多数函数可以非常舒适地将很多状态保存在寄存器中。即使在进行函数调用的循环中，ABI中也有足够的调用保留寄存器，溢出/重载通常不必在循环中发生。
来自3操作数指令的代码大小和指令计数的增益将大于保存偶尔的溢出/重新加载。 gcc输出必须始终为mov，并使用lea作为非破坏性的添加/移位。
如果您想优化CPU以进行软件流水线操作以隐藏内存加载延迟（which is simpler than full out-of-order execution），那么更多寄存器是很棒的，尤其是。如果你没有注册重命名。但是，我不确定static instruction scheduling的编译器有多好。这不再是一个热门话题，因为所有高性能CPU都是无序的。 （OTOH，人们实际使用的许多软件都在智能手机中的有序ARM CPU上运行。）我没有尝试让编译器针对有序CPU进行优化的经验，因此IDK依赖于它的可行性是多么可行这一点。
如果您的CPU非常简单，当负载在飞行中时它无法执行任何其他操作，这可能无关紧要。 （这真的是手工波浪，因为我不太了解简单设计的实用性。即使是“简单”的现代CPU也是流水线的。）
64个寄存器进入“太多”区域，保存/恢复它们需要大量代码。内存量可能仍然可以忽略不计，但由于您无法遍历寄存器，因此需要64条指令。
如果您是从头开始设计ISA，会查看Agner Fog's CRISC proposal以及由此产生的讨论。你的目标是非常不同的（高性能/功耗预算64位CPU与简单的16位），所以你的ISA当然会有很大差异。然而，讨论可能会让你想到你没有考虑过的事情，或想要尝试的想法。
答案 1 :(得分：2)
关于寄存器的数量，一般来说，我认为当只有16个通用寄存器可用时，大多数C可以编译为高效的机器代码（如AMD64）。但是，让一些寄存器专用于函数参数并且一些寄存器标记为volatile可能是有益的 - 这意味着它们可以在任何函数内部使用，但可能被任何被调用的函数破坏。增加到32个寄存器可能是有益的，但是如果你有一个普通的16位CPU的64个通用寄存器，我怀疑会有很多改进。无论如何，您必须将要在C函数中使用的大多数寄存器的原始内容保存到堆栈中。将函数限制为仅同时使用7个寄存器（而不是37个）可能仍然对C编译器更有效（堆栈），即使有更多可用的寄存器也是如此。
很大程度上取决于您将使用的C calling convention。哪些寄存器用于将值从调用者传递给被调用者，哪些寄存器被认为是易失性的，从栈中推送/弹出的成本是多少等等。使用Register Window可以获得更多在函数调用中管理寄存器和堆栈使用。例如，Sun Sparc的注册窗口完全是8，本地＆＃34;寄存器，8个与调用者共享的寄存器和8个将与任何被调用函数共享的寄存器。 （此外，还可以解决8个全局寄存器。）这样你不必担心推送到堆栈，每次函数调用总会有16个寄存器同时改变执行指针和每次退货都有一个16个寄存器。 Intel ia64具有类似的功能，但具有可配置的寄存器窗口大小。
但是，SUB C,A,B仅比SUB A,B略有优势，因为保留中间结果非常重要（A需要经常保留），而注册副本的简单寄存器相当昂贵。在大多数情况下，这似乎不太可能。
您是否会使用单独的浮点或定点寄存器？