ALU与寄存器关系

Question

ALU是否有自己的内存或寄存器来存储输入操作数等，还是只使用CPU寄存器(不只是专门用于ALU任务)？

Answer 1

ALU是CPU的一部分，所以你的问题措辞有点混乱。ALU寄存器定义为CPU寄存器。尽管如此，有些寄存器是命名的，对程序员来说是可见的，还有一些寄存器没有真正的名称，只在内部使用，尤其是在流水线处理器中。他们的价值观将类似于“EAX 3时钟周期以前的情况”。任何时候，一个价值都需要被记住一段时间。

Answer 2

在硬件方面，有两种布线方式：

• 组合-组合电路从电流输入计算电流输出。计算从开始到完成在有向无环图的门。
• 时序电路计算电流输入和过去输入的电流输出。顺序电路从一个周期到另一个周期记住事物。它们通过在电路中有反馈回路来实现这一点。

CPU寄存器是有效的时序电路，它们从一个周期到另一个周期记住数据值，以便根据正在执行的程序的指令对这些数据值进行操作，也就是说，尽管执行相同的指令(循环的主体)，程序循环还是对不同的数据进行操作，因为寄存器是更新的。

一般说来，ALU是一个组合电路，它只根据输入提供计算结果，而不存储以前的操作。

以上是对现代处理器的严重过度简化。

多周期处理器将单个指令的执行扩展到多个周期，流水线处理器也是如此；两者都需要额外的状态来管理，所以使用附加的内部寄存器。

寄存器重命名和处理器的许多其他特性(分支预测、缓存等)还涉及到我们将考虑顺序电路的状态，即涉及寄存器或其他存储。

Answer 3

现代处理器使用两种类型的寄存器。

• 体系结构寄存器(向程序员公开)
• 硬件寄存器(在旁使用的)

X86/AArch64只有几个体系结构寄存器，这是对性能的巨大限制，因为只有有限数量的寄存器，指令需要等待寄存器的出现。

这就是为什么处理器使用Tomasulo算法来重命名寄存器，在运行时将架构寄存器分配给物理寄存器。例如，arm AArch64只有31个结构寄存器，但M1有600多个物理寄存器。结合一个用于无序执行的巨大窗口、超级标量资源和流水线，以相对较低的频率，与简单的顺序执行相比，仍然可以获得巨大的性能改进。