什么是CPU寄存器？

这个问题已经困扰了我一段时间，今天我想我会谷歌搜索它。我已经阅读了一些有关它的内容，它看起来与我一直称为处理器缓存的内容非常相似。

两者之间有区别吗？或者当我认为它们相同时我是对的吗？寄存器实际上是否必须位于CPU内部才能正常工作？

根据维基百科，寄存器是CPU中的一个位置，可以在将其发送回RAM之前快速访问和修改内存。我是否理解这是错误的，还是缓存和寄存器实际上相同？

它们并不完全相同。寄存器是CPU实际使用的值所在的位置。CPU设计使得它仅在寄存器中时才能够实际修改或以其他方式作用。因此，寄存器可以发挥逻辑作用，而内存（包括高速缓存）只能保存CPU读取和写入的值。

想象一下一个木匠在工作。他手里有一些物品（寄存器），然后，在工作台（缓存）上非常接近他经常处理的事情，但此刻不使用，然后在车间（主存储器）中涉及了即将进行的项目，但还不够重要，无法在工作台上进行。

编辑：这是关于寄存器逻辑如何工作的简单解释。

假设我们有四个名为R1..R4的寄存器。如果您编译如下语句：

x = y + z * 3;

编译器将输出（在反汇编时）如下所示的机器代码：

LOAD  R1, ADDRESS_Z //move the value of Z into register 1
MUL   R1, 3         //multiply the value of register 1 by 3
LOAD  R2, ADDRESS_Y //move the value of Y into register 2
ADD   R1, R2        //adds the value in R2 to the value in R1
STORE R1, ADDRESS_X //move the value of register 1 into X

由于大多数现代CPU都具有32位或64位宽的寄存器，因此它们可以对最大可容纳的任何值进行数学运算。对于较小的值，它们不需要特殊的寄存器。他们只是使用特殊的ASM指令，告诉它仅使用寄存器的一部分。而且，就像只用两只手的木匠一样，寄存器只能一次保存少量数据，但是它们可以被重用，将活动数据传入和传出它们，这意味着“很多寄存器”不会最终被需要。（当然，有很多可用的方法确实允许编译器生成更快的代码，但这不是绝对必要的。）

实际上，CPU术语中的寄存器很小，在微处理器（CPU）内部可用，这些寄存器具有特定的名称，大小和功能，因处理器而异，例如，如果采用8085的微处理器是一个8位的处理器，其中有8个位寄存器（A：累加器，B，C，D，E，H和L寄存器以及一个标志寄存器都是8位）。两个16位寄存器PC和SP都具有特殊功能，并且在汇编编程期间将功能显示在图中。很少有寄存器控制超出了编程人员的范围。

如果您使用其他处理器，则寄存器会有所不同，可以说8086是16位处理器，它具有AX，BX，CX和DX都是16位，PC，SP和标志寄存器。

正如您在问题中引用的那样，它们是为了加快程序执行速度并充当处理器缓存，但是现在处理器架构发生了变化，并且他们（英特尔）添加了大量内存来调用处理器缓存

但处理器（CPU）缓存和处理器（CPU）寄存器，某些特殊活动（例如内存指针，程序状态等）实际需要的寄存器之间略有不同。例如：PC：Program Counter，它在程序存储器中充当内存指针， SP：堆栈指针，在堆栈存储器中充当存储器指针。累加器是缓冲区和主寄存器，用于访问算术运算的ALU。

您可以查看Mason Wheeler的解释

我认为认为寄存器不是存储器是有帮助的，不应将其视为存储器。

想像起来更像OO-Register是一个类，不是从Memory派生的，而Memory是一个类也不是从Register派生的，但是Register类具有用于将其数据与Memory相互转换的方法（机器操作代码）。另一方面，内存对寄存器一无所知，因此无法对寄存器调用操作。结果，所有CPU操作都由经常访问内存的寄存器执行。

只写寄存器的情况并不少见-几乎不是存储器的属性。寄存器值也可以不写入而更改-再次，不是您期望的内存行为。

@Mason Wheeler提供的答案是准确的，但我认为可以将您的问题放在另一个角度。从您的问题来看，在我看来，您需要完全理解高速缓存和寄存器之间的区别的概念是数据路径。正如Mason正确指出的那样，CPU的逻辑（即，其数据路径）的设计方式使得内存信息不能直接由CPU处理，这就是寄存器存在的原因。实际上，如果该指令没有先加载到正确的寄存器中（通常是一个名为IR的寄存器，即“指令寄存器”），则CPU甚至无法解码正在运行的程序的当前指令。

这与CPU的连接方式有关。内存和ALU之间没有物理路径；提供给ALU的所有数据都必须以某种方式在某个寄存器中进行缓冲。可能会有所不同，但是将内存直接连接到ALU所需的电路太复杂：通过寄存器文件调解内存和ALU之间的所有通信会更加容易和有效，如上述数据路径所确定的那样。 。实际上，即使给定指令将内存位置指定为操作数（一种寻址模式，称为直接寻址），也会将相应的数据单元加载到一个称为MBR的寄存器中（内存缓冲区寄存器，有时也称为MDR，内存数据缓冲区） ）。

请注意，从CPU的角度来看，信息（数据或代码）是来自主内存还是高速缓存并不重要，但是后者要快得多。出于性能原因而存在高速缓存，由于CPU的设计（即由于数据路径）而存在寄存器。聪明的程序员（实际上是聪明的编译器）尝试最大程度地使用寄存器，以最大程度地减少内存访问（寄存器比高速缓存或内存快）。这是合理的，因为存储在寄存器中的信息倾向于多次使用，实际上，这是RISC原理的原理之一。