CPU 寄存器的内容多久更改一次？

Question

CPU 注册的数据是否经常变化？ Wikipedia article 将寄存器描述为“ 一个快速访问的位置......少量快速存储”。我假设内存很快，因为经常访问和修改寄存器？

Answer 1

自现代 CPU 以 GHz 为单位的运行以来，CPU 寄存器每秒可以更改它们存储的内容数亿次甚至数十亿次。

由于大多数现代 CPU 有大约 128 个寄存器，它们通常会在执行许多操作时每秒更改几百万次值。

Answer 2

是的，数据寄存器可能会在后续指令中发生变化，这很常见。超标量、乱序执行、流水线操作、寄存器重命名等使分析变得复杂，但即使在简单的有序 CPU 上，寄存器也可以每条指令更改一次。一个合理的程序可能有运行条指令，所有指令都影响同一个寄存器：

// Type your code here, or load an example.
int polynom(int num) {
    return num * num + 2 * num + 1;
}

编译为：

polynom(int):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
      * mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
      * imul    eax, eax
      * mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
        add     edx, edx
      * add     eax, edx
      * add     eax, 1
        pop     rbp
        ret

注意对 eax 寄存器的多次写入，用星号标注。在这个小函数中，五个几乎连续的指令写入这个特定的寄存器，这意味着我们可以预期程序可见状态 eax¹ 如果要在紧密循环中调用此代码，则以超过 1 GHz 的速率变化。

更基本的一点是，有些架构寄存器几乎总是在每条指令上发生变化。其中最明显的是程序计数器（在许多情况下称为 PC，在 x86 上称为 EIP，在 x86_64 上称为 RIP）。因为这个寄存器指向当前正在执行的指令，所以它肯定会随着每条指令而改变，除非像 x86 REP 编码这样的反例或简单地跳转到自身的指令。

¹ 同样，除了寄存器重命名等架构方面的考虑，它使用多个物理寄存器来实现单个逻辑的、程序可见的寄存器。

CPU 寄存器的内容多久更改一次？

How often do the contents of a CPU register change?

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