为什么ARM有16个寄存器？

Question

ARM为什么只有16个寄存器？这是理想的数量吗？

拥有更多寄存器的寄存器距离是否会增加处理时间/功耗？

- Carbonizer

---

这是一个编码在指令集中的2、3、4或5位的情况，以及对于固定大小指令，您可以拥有哪种混合和风味的指令。从许多指令集中我们看到，3或4位是比较优化的。 - old_timer

Answer 1

随着通用寄存器数量的减少，您需要开始使用堆栈来存储变量。使用堆栈需要更多的指令，因此代码大小会增加。同时，使用堆栈还会增加内存访问次数，这对性能和功耗都有负面影响。权衡之处在于，为了表示更多的寄存器，您需要在指令中使用更多的位，并且需要在芯片上留出更多的空间用于寄存器文件，这会增加功耗。通过使用不同数量的寄存器编译相同的代码，您可以看到不同寄存器数量如何影响代码大小和加载/存储指令的频率。这种类型的练习的结果可以在本文的表1中看到： 可扩展指令集计算

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作为基数，因为这是MIPS处理器上可用的GPR数量)

可以看到，当你将寄存器数量降至16时，两个程序的大小和所需的加载/存储数量仅有微小的改进。直到你降至8个寄存器时，真正的惩罚才会开始。我猜ARM设计师认为，在寻求每瓦最佳性能时，16个寄存器是一种理想的平衡点。

- Bradley McKinley

---

你是在说寄存器越多越好吗？ ;) - Austin Henley

我想详细说明一下堆栈和寄存器。如果寄存器的数量不足，则需要使用堆栈，但是如果开始使用堆栈，则需要进行内存读/写，即获取/存储以执行操作。这将导致更多的执行周期并作为开销。因此，需要在堆栈和寄存器之间进行权衡。 - shingaridavesh

如果你只在MIPS中像这样计算真实的GPRs，那么在ARM32中只有13个寄存器（R0-R12，减去SP，LR和PC），x86有7个（减去SP，省略帧指针时）。x86_64有15个，而ARM64有31个。 - phuclv

如果16是一个理想的数字，那么为什么ARM64要增加它呢？这个数字是基于很多原因和基准测试来选择的。 - phuclv

@Lưu Vĩnh Phúc - 第一款ARM处理器于20世纪80年代中期创建，晶体管数量约为30,000。当时，增加寄存器文件的大小以支持32个GPR将显着增加成本和功耗，而对代码密度的贡献不成比例。到ARM64设计时，已经有超过十亿个晶体管的芯片，因此增加寄存器文件大小的影响已经不是问题了。 - Bradley McKinley

@BradleyMcKinley，ARM和MIPS都是在1985年推出的，但MIPS有32个全局寄存器。只是ARM设计师选择了与MIPS不同的权衡：GPR数量与条件执行能力。添加谓词位会浪费指令编码空间和芯片面积，就像添加更多的GPR一样。MIPS使用3个额外的位来获取更多的寄存器，而ARM使用4个额外的位来表示条件。 - phuclv

Answer 2

32位ARM只有16个寄存器，因为它仅使用4位来编码寄存器，而不是因为16是理想的数量。同样，x86只有8个寄存器，因为在历史上，他们使用3位来编码寄存器，以便一些指令适合一个字节。

这是一个非常有限的数量，因此当x86和ARM转向64位时，将寄存器数量加倍到16和32个。旧的ARM指令编码没有剩余的位数足以支持更多的寄存器数量，因此必须做出权衡，放弃几乎每个指令的条件执行能力，并使用4位条件来支持新功能（这是一个过度简化的表述，实际上并不完全如此，因为编码是新的，但你确实需要3个额外的位来支持新的寄存器）。

- phuclv

Answer 3

选择其中一个16个寄存器需要4位，因此这可能是操作码（机器指令）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，从而意味着额外的成本（执行时间）。 维基百科 表示它具有“固定的32位指令宽度，以便于解码和流水线处理”，因此这是一个合理的权衡。

- stacker

---

是的，我们希望指令适合32位，但您可以按照自己的方式划分。例如，如果您有一个ISA可以具有两个源寄存器和一个目标寄存器，则可以使用15位指定这三个寄存器，然后您还有17位用于其他内容，如操作码等。 - Timothy Miller

Answer 4

在80年代（如果我没记错的话），发表了一篇学术论文，研究了许多不同的工作负载，比较了不同数量寄存器预期的性能改进。这是RISC处理器从学术思想转向主流硬件的时期，决定什么最优很重要。CPU已经在速度上超过了内存，而RISC通过限制寻址模式并拥有单独的load和store指令使情况变得更加糟糕。拥有更多的寄存器意味着你可以“缓存”更多数据以供即时访问，从而减少对主内存的访问。

只考虑2的幂次方，发现32个寄存器是最优的，虽然16个寄存器也不差。

- Timothy Miller

Answer 5

ARM 的独特之处在于每个寄存器都可以具有条件执行代码，避免了测试和分支。不要忘记，许多 32 位寄存器机器将 R0 固定为 0，因此通过与 R0 进行比较来进行条件测试。我从经验中知道。20 年前，我不得不编写一个“Mode 7”（来自 SNES 术语）地板的程序。CPU 分别是 SH2 (32x 中的两个)，MIPS3000 (Playstation) 和 3DO (ARM)，代码的内部循环分别为 19、15 和 11。如果 3DO 运行速度与其他两个相同，那么它将是两倍的速度。但事实上，它只稍微慢一些。

- Sean

---

这些19、15、11是循环中的指令数吗？这些不同的CPU有多少个寄存器？如果你澄清了这一点，那么这可能只是一个答案，而不是一个应该作为评论的轶事。此外，ARM的条件执行是按指令而不是按寄存器进行的。寄存器数量无关（除了它们都在32位指令字中占用位，正如其他答案所指出的那样）。 - Peter Cordes