Регистры индексов в процессоре: назначение и применение

Введение

Индексный регистр центрального процессора – это регистр процессора (или выделенная область памяти), используемый для модификации адресов операндов в процессе выполнения программы. Он полезен для последовательного доступа к элементам строк и массивов, а также для хранения счетчиков итераций циклов. В некоторых архитектурах он применяется для чтения и записи блоков памяти. В зависимости от архитектуры, это может быть специализированный индексный регистр или регистр общего назначения. Некоторые наборы инструкций поддерживают использование нескольких индексных регистров, при этом дополнительные поля инструкции указывают, какие регистры следует использовать. Обычно содержимое индексного регистра добавляется (в некоторых случаях вычитается) из непосредственного адреса (который может быть частью самой инструкции или храниться в другом регистре) для формирования "эффективного" адреса данных (операнда). Обычно предусмотрены специальные инструкции для проверки значения индексного регистра, и в случае неудачи, регистр увеличивается на заданную константу с последующим переходом, как правило, к началу цикла. В то время как большинство процессоров, поддерживающих несколько индексных регистров, суммируют их содержимое, в компьютерах IBM существовала линейка, где содержимое регистров выполнялось побитовое ИЛИ. Индексные регистры оказались эффективными при выполнении векторных и операций с массивами, а также в системах коммерческой обработки данных для перемещения между полями записей. В обоих случаях индексные регистры существенно снижали объем используемой памяти и повышали скорость выполнения.

История

В ранних компьютерах, не имевших какой-либо формы косвенной адресации, операции с массивами приходилось выполнять путем модификации адреса инструкции, что требовало нескольких дополнительных шагов программы и использовало больше компьютерной памяти – дефицитного ресурса в компьютерных установках ранней эпохи (а также в ранних микрокомпьютерах два десятилетия спустя). Индексные регистры, обычно известные как B-линии в ранних британских компьютерах, как B-регистры на некоторых машинах и X-регистры на других, впервые были использованы в британском компьютере Manchester Mark 1 в 1949 году. В целом, индексные регистры стали стандартной частью компьютеров во время второго поколения технологий, примерно в 1954–1966 годах. Большинство машин серии IBM 700/7000 имели их, начиная с IBM 704 в 1954 году, хотя они были необязательными на некоторых небольших машинах, таких как IBM 650 и IBM 1401. Ранние "маленькие машины" с индексными регистрами включают AN/USQ 17, примерно в 1960 году, и 9-ю серию компьютеров реального времени от Scientific Data Systems, начиная с начала 1960-х годов. UNIVAC 1107 1962 года имеет 15 X-регистров, четыре из которых также были A-регистрами. GE 635 1964 года имеет 8 выделенных X-регистров; однако он также позволяет индексировать с помощью счетчика инструкций или любой половины A- или Q-регистра. PDP 6 от Digital Equipment Corporation (DEC), представленный в 1964 году, и IBM System/360, анонсированный в 1964 году, не включают специальные индексные регистры; вместо этого они имеют регистры общего назначения (называемые "аккумуляторами" в PDP 6), которые могут содержать либо числовые значения, либо адреса. Адрес памяти операнда в PDP 6 представляет собой сумму содержимого регистра общего назначения и 18-битного смещения, а в System/360 – сумму содержимого двух регистров общего назначения и 12-битного смещения. Совместимая линейка PDP 10, преемников PDP 6, а также IBM System/370 и более поздние совместимые преемники System/360, включая текущую архитектуру z/Architecture, работают аналогичным образом. В 1969 году Data General Nova и преемник Eclipse, а также DEC PDP 11 1970 года, миникомпьютеры также предоставляли регистры общего назначения (называемые "аккумуляторами" в Nova и Eclipse), а не отдельные аккумуляторы и индексные регистры, как и их преемники Eclipse MV и VAX – 32-битные суперминикомпьютеры. В PDP 11 и VAX любой регистр можно было использовать при вычислении адреса памяти операнда; в Nova, Eclipse и Eclipse MV можно было использовать только регистры 2 и 3. CDC STAR 100 1971 года имеет файл регистров, состоящий из 256 64-битных регистров, 9 из которых зарезервированы. В отличие от большинства компьютеров, инструкции STAR 100 имеют только поля регистров и поля операндов, поэтому регистры служат скорее как указательные регистры, чем как традиционные индексные регистры. В то время как Intel 8008 1972 года позволял косвенную адресацию через пары регистров, первым микропроцессором с истинным индексным регистром, по-видимому, был Motorola 6800 1974 года. В 1975 году 8-битный процессор MOS Technology 6502 имел два индексных регистра – 'X' и 'Y'. В 1978 году Intel 8086, первый процессор x86, имел восемь 16-битных регистров, называемых "регистрами общего назначения", все из которых могут использоваться в качестве целочисленных регистров данных в большинстве операций; четыре из них – 'SI' (индекс источника), 'DI' (индекс назначения), 'BX' (база) и 'BP' (указатель базы) – также могут использоваться при вычислении адреса памяти операнда, который представляет собой сумму одного из этих регистров и смещения, или сумму одного из 'BX' или 'BP', одного из 'SI' или 'DI' и смещения. Intel 8088 1979 года и 16-битные Intel 80186, Intel 80188 и Intel 80286, преемники, работают аналогично. В 1985 году i386, 32-битный преемник этих процессоров, представивший 32-битную версию архитектуры x86 IA 32, расширил восемь 16-битных регистров до 32 бит, добавив "E" в начало имени регистра; в IA 32 адрес памяти операнда представляет собой сумму одного из этих восьми регистров, одного из семи из этих регистров (указатель стека не разрешен в качестве второго регистра здесь), умноженную на 1, 2, 4 или 8, и смещения. Advanced Micro Devices Opteron, первая модель которого была выпущена в 2003 году, представил x86 64 – 64-битную версию набора инструкций x86; в x86 64 регистры общего назначения были расширены до 64 бит, и было добавлено восемь дополнительных регистров общего назначения; адрес памяти операнда является суммой двух из этих 16 регистров и смещения. В 64-битной версии архитектуры ARM существует 31 64-битный регистр общего назначения, а также указатель стека и нулевой регистр; адрес памяти инструкции загрузки или сохранения является суммой любого из 31 регистра и либо смещения, либо другого из регистров.

In early computers without any form of indirect addressing, array operations had to be performed by modifying the instruction address, which required several additional program steps and used up more computer memory, a scarce resource in computer installations of the early era (as well as in early microcomputers two decades later). Index registers, commonly known as B lines in early British computers, as B registers on some machines and a X registers on others, were first used in the British Manchester Mark 1 computer, in 1949. In general, index registers became a standard part of computers during the technology's second generation, roughly 1954–1966. Most machines in the IBM 700/7000 mainframe series had them, starting with the IBM 704 in 1954, though they were optional on some smaller machines such as the IBM 650 and IBM 1401. Early "small machines" with index registers include the AN/USQ 17, around 1960, and the 9 series of real time computers from Scientific Data Systems, from the early 1960s. The 1962 UNIVAC 1107 has 15 X registers, four of which were also A registers. The 1964 GE 635 has 8 dedicated X registers; however, it also allows indexing by the instruction counter or by either half of the A or Q register. The Digital Equipment Corporation (DEC) PDP 6, introduced in 1964, and the IBM System/360, announced in 1964, do not include dedicated index registers; instead, they have general purpose registers (called "accumulators" in the PDP 6) that can contain either numerical values or addresses. The memory address of an operand is, in the PDP 6, the sum of the contents of a general purpose register and an 18 bit offset and, on the System/360, the sum of the contents of two general purpose registers and a 12 bit offset. The compatible PDP 10 line of successors to the PDP 6, and the IBM System/370 and later compatible successors to the System/360, including the current z/Architecture, work in the same fashion. The 1969 Data General Nova and successor Eclipse, and 1970 DEC PDP 11, minicomputers also provided general purpose registers (called "accumulators" in the Nova and Eclipse), rather than separate accumulators and index registers, as did their Eclipse MV and VAX 32 bit superminicomputer successors. In the PDP 11 and VAX, any register could be used when calculating the memory address of an operand; in the Nova, Eclipse, and Eclipse MV, only registers 2 and 3 could be used. The 1971 CDC STAR 100 has a register file of 256 64 bit registers, 9 of which are reserved. Unlike most computers, the STAR 100 instructions only have register fields and operand fields, so the registers serve more as pointer registers than as traditional index registers. While the 1972 Intel 8008 allowed indirect addressing via register pairs, the first microprocessor with a true index register appears to have been the 1974 Motorola 6800. In 1975, the 8 bit MOS Technology 6502 processor had two index registers 'X' and 'Y'. In 1978, the Intel 8086, the first x86 processor, had eight 16 bit registers, referred to as "general purpose", all of which can be used as integer data registers in most operations; four of them, 'SI' (source index), 'DI' (destination index), 'BX' (base), and 'BP' (base pointer), can also be used when computing the memory address of an operand, which is the sum of one of those registers and a displacement, or the sum of one of 'BX' or 'BP", one of 'SI' or 'DI', and a displacement. The 1979 Intel 8088, and the 16 bit Intel 80186, Intel 80188, and Intel 80286 successors work the same. In 1985, the i386, a 32 bit successor to those processors, introducing the IA 32 32 bit version of the x86 architecture, extended the eight 16 bit registers to 32 bits, with "E" added to the beginning of the register name; in IA 32, the memory address of an operand is the sum of one of those eight registers, one of seven of those registers (the stack pointer is not allowed as the second register here) multiplied by 1, 2, 4, or 8, and a displacement. The Advanced Micro Devices Opteron, the first model of which was released in 2003, introduced x86 64, the 64 bit version of the x86 instruction set; in x86 64, the general purpose registers were extended to 64 bits, and eight additional general purpose registers were added; the memory address of an operand is the sum of two of those 16 registers and a displacement. In the 64 bit version of the ARM architecture, there are 31 64 bit general purpose registers plus a stack pointer and a zero register; the memory address of a load or store instruction is the sum of any of the 31 registers and either a displacement or another of the registers.