通用寄存器组 General-Purpose Registers

目录

• 核心特点
• 常见用途
• 典型架构示例
• 与专用寄存器的区别
• 性能优化关键

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通用寄存器组（General-Purpose Register, GPR）是计算机CPU中的一组高速存储单元，用于临时存放数据、地址或中间计算结果。它们直接参与算术逻辑运算（ALU操作）、数据搬运、地址计算等操作，是程序执行过程中最频繁访问的硬件资源之一。

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核心特点

1. 通用性

   • 多数寄存器既可存储数据，也可存储地址（取决于架构设计），但某些架构可能对特定寄存器有隐式用途（如x86中的ECX用于循环计数）。
   • 例如：在ARM架构中，R0-R12通常为通用寄存器；x86中EAX、EBX等也可用于多种用途。

2. 高速访问

   • 寄存器位于CPU内部，访问速度远快于内存（L1缓存延迟约1-3周期，内存访问可能需要数百周期）。

3. 有限数量

   • 受硬件成本限制，通用寄存器数量较少（通常为16-32个，如x86-64有16个，RISC-V有32个）。

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常见用途

• 数据操作：存储运算的输入/输出（如ADD EAX, EBX）。
• 地址计算：存放内存地址（如MOV [EBX], EAX）。
• 函数调用：传递参数、保存返回地址（如x86-64用RDI, RSI传参）。
• 临时变量：编译器优化时会优先使用寄存器存放频繁访问的变量。

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典型架构示例

1. x86/x86-64

   • 32位时代：EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, ESP（栈指针）, EBP（基址指针）。
   • 64位扩展：新增R8-R15，共16个通用寄存器（如RAX, RBX等）。

2. ARM（AArch64）

   • 31个通用寄存器（X0-X30），X29通常作为帧指针，X30存放返回地址。

3. RISC-V

   • 32个通用寄存器（x0-x31），x0硬编码为0，x1-x31可自由使用。

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与专用寄存器的区别

• 专用寄存器有固定用途，如：
  • 程序计数器（PC）：存储下一条指令地址。
  • 标志寄存器（FLAGS）：存放运算状态（溢出、零标志等）。
  • 栈指针（SP）：管理函数调用栈。
• 通用寄存器的用途由编程者或编译器决定，灵活性更高。

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性能优化关键

• 寄存器分配是编译器优化的核心任务之一，减少内存访问（如将循环变量保留在寄存器中）。
• RISC架构（如ARM、RISC-V）依赖大量通用寄存器提升效率，而CISC（如x86）更多依赖复杂指令。