Регистр процессора

Реги́стр проце́ссора — поле заданной длины во внутрипроцессорной сверхбыстрой оперативной памяти (СОЗУ). Используется самим процессором, может быть как доступным, так и не доступным программно. Например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд, обращение к которому программист прописать не может.

Программно недоступные регистры

Программно недоступные регистры — любые процессорные регистры, к которым невозможно так или иначе обратиться из выполняемой программы. Пример таких регистров — уже упомянутый регистр команд.

Программно доступные регистры

Программно доступные регистры есть те, к которым возможно так или иначе обратиться из выполняемой программы. Практически каждый такой регистр обозначается своим именем-идентификатором на уровне языка ассемблера и соответствующим числовым кодом-идентификатором на уровне машинного языка. По уровню доступности программно доступные регистры неодинаковы и практически делятся на две большие подгруппы:

• системные регистры — любые регистры, программно доступные только системным программам (например, ядру операционной системы), имеющим достаточный для этого уровень системных привилегий/прав. В терминах многих машинных систем такой уровень привилегий часто называется «уровнем/режимом ядра» или «режимом супервизора». Для всех прочих программ — работающих в «режиме пользователя» — эти регистры недоступны. Примеры таких регистров: управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов.
• регистры общего назначения (РОН) — регистры, доступные любым программам. В частности, регистры, используемые без ограничения в арифметических и логических операциях, но имеющие определённые аппаратные ограничения (например, в строковых РОН). Эти регистры не характерны для эпохи мейнфреймов типа IBM/370^[1] и стали популярными в микропроцессорах архитектуры X86 — Intel 8085, Intel 8086 и последующих^[2].

Специальные регистры^[3] содержат данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д.

Часть специальных регистров принадлежит устройству управления, которое управляет процессором путём генерации последовательности микрокоманд.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, осуществляется непосредственно на тактовой частоте процессора и, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к полям в оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём процессорных регистров, суммарная «ёмкость» регистров общего назначения/данных для x86-процессоров (например, Intel 80386 и более новых) 8 регистров по 4 байта = 32 байта (В x86-64-процессорах — 16 по 8 байт = 128 байт и некоторое количество векторных регистров).

Некоторые примеры

В таблице показано количество регистров общего назначения в нескольких распространённых архитектурах микропроцессоров. Стоит отметить, что в некоторых архитектурах использование отдельных регистров может быть осложнено. Так, в SPARC и MIPS регистр номер 0 не сохраняет информацию и всегда считывается как 0, а в процессорах x86 с регистром ESP (указатель на стек) могут работать лишь некоторые команды.

Архитектура	Целочисленных регистров	FP- регистров	Примечания
x86-32	8	8
x86-64	16	16
IBM System/360	16	4
z/Architecture	16	16
Itanium	128	128
SPARC	31	32	Регистр 0 (глобальный) всегда занулён
IBM Cell	4~16	1~4
IBM POWER	32	32
Power Architecture	32	32
Alpha	32	32
6502	3	0
W65C816S	5	0
PIC	1	0
AVR	32	0
ARM 32-bit[4]	16	различное
ARM 64-bit[5]	31	32
MIPS	31	32	Регистр 0 всегда занулён
RISC-V	31	32	Дополнительно есть регистр 0, который всегда возвращает ноль
Эльбрус 2000	256	совмещены с целочисленными	32 двухразрядных регистра, 256 = 32 глобальных регистра + 224 регистра стека процедур[6]

Примечания

1. Barbara J. Burian. Программирование на языке ассемблера системы IBM/370 упрощённый подход = A simple approach to S/370 assembly language programming. — New York: Prentice-Hall, Inc, 1977.
2. Погорелый С. Д., Слободянюк Т. Ф. Программное обеспечение микропроцессорных систем. Справочник. — 2-е, переработанное и дополненное. — Киев: Тэхника, 1989. — С. 7, 48-51. — 301 с. — (Справочник специалиста). — 50 000 экз. — ISBN 5-335-00169-0.
3. Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual. Volume 1: Basic Architecture. 3.4 BASIC PROGRAM EXECUTION REGISTERS Архивная копия от 24 мая 2011 на Wayback Machine (англ.)
4. Procedure Call Standard for the ARM Architecture  (неопр.). ARM Holdings (16 октября 2009). Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 28 апреля 2013 года.
5. Procedure Call Standard for the ARM 64-bit Architecture  (неопр.). ARM Holdings (25 ноября 2011). Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 28 апреля 2013 года.
6. МЦСТ. Введение в архитектуру «Эльбрус» (рус.). Альт Линукс (31 мая 2020). Дата обращения: 16 июля 2020. Архивировано 2 июня 2020 года.