为什么ARM有16个寄存器？

Question

为什么ARM只有16个寄存器？这是理想的数字吗？

寄存器与更多寄存器的距离是否也会增加处理时间/功率？

Answer 1

随着通用寄存器的数量变小，您需要开始使用堆栈作为变量。使用堆栈需要更多指令，因此代码大小会增加。使用堆栈还会增加内存访问次数，从而影响性能和功耗。权衡的是，为了代表更多的寄存器，您需要在指令中使用更多的位，并且芯片上需要更多的空间用于寄存器文件，这会增加功耗要求。通过使用不同数量的寄存器编译同一组代码，您可以看到不同的寄存器计数如何影响代码大小和加载/存储指令的频率。这种练习的结果可以在本文表1中看到：

Extendable Instruction Set Computing

Register   Program   Load/Store  
Count      Size      Frequency  

27         100.00    27.90%  
16         101.62    30.22%  
8          114.76    44.45%  

（他们使用27作为基础，因为这是MIPS处理器上可用的GPR数量）

正如您所看到的，当您将寄存器数量降至16时，程序大小和加载/存储数量都只有微小的改进。真正的惩罚不会发生直到你下降到8个寄存器。我怀疑ARM设计师认为当你寻找每瓦最佳性能时，16个寄存器是一种最佳点。

Answer 2

要选择16个寄存器中的一个，您需要4位，因此可能是这是操作码（机器命令）的最佳匹配，否则您将不得不引入更复杂的指令集，这将导致更大的编码器，这意味着额外的成本（执行时间）。

Wikipedia表示它具有“固定指令宽度为32位以简化解码和流水线操作” 所以这是一个合理的权衡。

Answer 3

32位ARM有16个寄存器，因为它只使用4位来编码寄存器，而不是因为16是理想的数字。同样，x86只有8个寄存器，因为在历史上它们使用3位来编码寄存器，以便某些指令适合一个字节。

这是一个有限的数字，所以x86和ARM在64位时分别将数字加倍到16和32个寄存器。旧的ARM指令编码没有足够的剩余位用于较大的寄存器编号，因此它们必须通过放弃几乎每条指令有条件地执行并使用4位条件进行新功能来进行权衡（这是过于简单化的，实际上它并不完全是这样，因为编码是新的，但是你需要为新寄存器再增加3位。

Answer 4

回到80年代（IIRC），发表了一篇学术论文，研究了许多不同的工作量，比较了不同数量寄存器的预期性能优势。这正是RISC处理器从学术思想转变为主流硬件的时候，决定什么是最优的很重要。 CPU已经在速度上领先于内存，RISC通过限制寻址模式和单独的加载和存储指令使情况变得更糟。拥有更多寄存器意味着您可以“缓存”更多数据以便立即访问，从而减少访问主内存。

仅考虑2的幂，发现32个寄存器是最佳的，尽管16个并不是非常落后。

Answer 5

ARM的独特之处在于每个寄存器都可以有一个条件执行代码，避免了测试和分支机构。不要忘记，许多32台注册机将R0固定为0，因此通过与R0比较完成条件测试。我从经验中知道。 20年前，我不得不编制一个模式7＆＃39; （来自SNES术语）楼。对于32x（或者更确切地说是2个），MIPS3000（Playstation）和3DO（ARM），CPU是SH2，代码的内环是19,15＆amp; 11.如果3DO以与其他2相同的速度运行，那么它的速度会快两倍。事实上，它只是有点慢。