프로세서 레지스터

3. 레지스터의 구성

• 프로그램 계수기(PC): 다음에 실행할 명령어의 주소를 가지고 있다.
• 명령어 레지스터(IR): 현재 수행 중인 명령어를 가지고 있다.
• 메모리 주소 레지스터(MAR): 메모리로부터 읽어오거나 메모리에 쓰기 위한 주소를 가지고 있다.
• 메모리 버퍼 레지스터(MBR): 메모리로부터 읽어온 데이터 또는 메모리에 써야 할 데이터를 가지고 있다.
• 입출력 주소 레지스터(I/O AR): 입출력 장치에 따른 입출력 모듈의 주소를 가지고 있다.
• 입출력 버퍼 레지스터(I/O BR): 입출력 모듈과 프로세서 간의 데이터 교환을 위해 사용된다.

4. 레지스터의 크기

레지스터는 일반적으로 저장할 수 있는 비트 수로 측정되며, ''8비트 레지스터'', ''32비트 레지스터'', ''64비트 레지스터'', ''128비트 레지스터'' 등이 있다. 일부 명령어 집합 아키텍처에서는 레지스터가 다양한 모드로 작동하여 저장 메모리를 더 작은 부분으로 나누어 (예: 32비트를 8비트 4개로) 여러 데이터(벡터, 또는 데이터의 1차원 배열)를 동시에 로드하고 처리할 수 있는데, 이는 메모리를 더 큰 레지스터로 매핑하는 추가 레지스터를 추가하여 구현된다. 여러 데이터에 대해 단일 명령을 실행할 수 있는 프로세서를 벡터 프로세서라고 한다.

소프트웨어 자산의 유효 활용을 목적으로 16비트 프로세서의 명령어 집합을 그대로 동작시킬 수 있는 32비트 프로세서 등이 종종 개발된다. 이 경우 프로세서 내부 레지스터의 비트 길이는 커지지만(대개 2배로) 호환성을 유지하기 위해 이전 CPU의 명령어 코드로 동작할 때는 하위 비트만 사용한다.

인텔 8086 계열 CPU는 이처럼 확장되어 온 과정을 거친 대표적인 프로세서이다. 8080(인텔의 8비트 CPU)에서는 범용 레지스터를 "a", "b", "c"… 등으로 명명했다. 이를 확장한 8086의 범용 레지스터는 "ax", "bx", "cx"…가 되었다 (x는 extend의 약자). 80386에서 32비트로 확장되면서 레지스터 이름은 "eax", "ebx", "ecx"…가 되었다 (e도 extend의 약자). AMD가 AMD64에서 64비트로 확장했을 때는 레지스터 이름이 "rax", "rbx", "rcx"…가 되었다.

5. 다양한 CPU 아키텍처에서의 레지스터

다양한 CPU 아키텍처는 각기 다른 수와 종류의 레지스터를 사용한다. 다음 표는 여러 주류 CPU 아키텍처의 레지스터 수를 보여준다.

x86 호환 프로세서에서 스택 포인터(ESP)는 정수 레지스터로 간주되지만, 내용에 대해 작동하는 데 사용할 수 있는 명령어 수가 제한되어 있다. 대부분의 아키텍처에도 비슷한 주의 사항이 적용된다.

아래 나열된 모든 아키텍처는 서로 다르지만, 거의 모두 헝가리계 미국인 수학자 존 폰 노이만이 처음 제안한 폰 노이만 아키텍처로 알려진 기본 배열에 있다. 또한 GPU의 레지스터 수가 CPU의 레지스터 수보다 훨씬 많다는 점도 주목할 만하다.

6. 레지스터와 프로그래밍

프로그래밍 언어를 기계어로 변환할 때, 수식 평가 중간의 값 등은 메모리에 쓰지 않고 레지스터에 보관하여 계산하는 것이 효율적이다. 가능하다면 변수 자체도 레지스터에 할당하는 것이 더 효율적이다. 이러한 레지스터 운용 문제를 레지스터 할당이라고 하며, 컴파일러 최적화의 중요한 주제 중 하나이다.^[42]

초기 C 언어 컴파일러는 최적화에 크게 신경 쓰지 않아, 프로그래머가 레지스터에 할당할 변수를 지정하는 키워드 `register`를 사용했다. 그러나 현재의 최적화 컴파일러는 `register` 지정을 무시한다. C++에서도 마찬가지였지만, C++11에서는 `register` 키워드가 권장되지 않았고, C++17에서는 삭제되었다(단, 예약어로 남았다).^[42]

서브루틴과의 정보 교환(인수와 반환값)은 프로그램을 모듈로 분할하여 컴파일하기 위해 미리 정해두어야 하며, 이를 호출 규약이라고 한다. 호출 규약에는 여러 종류가 있지만, 레지스터가 많은 머신에서는 레지스터로 정보를 주고받는 것이 효율적이며, 이를 레지스터 전달이라고 한다. SPARC 등의 RISC 프로세서나 EPIC 아키텍처에는 아키텍처적으로 이를 지원하는 레지스터 윈도우가 있다. 레지스터 전달과 반대로 스택으로 전달하는 것을 스택 전달이라고 한다. 인수를 스택에 쌓아 서브루틴을 호출하지만, 반환값은 레지스터(누산기)로 반환하는 경우가 많다.

PC에서 널리 사용되는 x86의 경우(w:X86 calling conventions), IA-32 및 그 이전 프로세서에서는 컴파일러가 생성하는 코드에서 스택 전달이 많았지만, 최적화된 컴파일러에서는 Microsoft C의 `__fastcall` 구문으로 레지스터 전달을 명시하거나, 가능한 한 레지스터 전달을 하는 코드를 생성하는 LSI C-86도 있다. x64에는 Microsoft x64와 System V AMD64 두 종류가 있지만, 둘 다 레지스터 전달이 기본이다.

가변 인수를 레지스터로 전달하는 것은 어렵기 때문에, 가변 인수일 경우에는 스택 전달을 하는 경우도 많다.

7. 특수 아키텍처

레지스터 세트(Register set)는 빠른 컨텍스트 스위칭을 위해 여러 개의 레지스터 그룹을 사용하는 방식이다. 자일로그사의 CPU Z80은 이중 레지스터를 가지고 있어, 레지스터 세트를 사용한 컨텍스트 스위칭을 지원하는 대표적인 프로세서이다.^[4] 최근 프로세서 중에서는 ARM이 레지스터 세트를 가지고 있다.^[4] 이러한 방식은 처리 속도를 높일 수 있지만, 레지스터를 구성하는 회로가 복잡하여 프로세서에 많이 구현하기 어렵다는 단점이 있다.^[4]

제로 레지스터(Zero register)는 읽을 때 항상 0을 반환하는 레지스터로, 명령 집합을 단순화하는 데 사용된다. MIPS는 R0 레지스터가 항상 0을 반환하는 제로 레지스터이다.^[3] 제로 레지스터와 연산 명령을 조합하면 다른 명령과 동일한 처리를 수행할 수 있다.^[3] 예를 들어, 덧셈 명령에서 A=B+Z (A, B는 범용 레지스터, Z는 제로 레지스터)를 실행하면 B의 값이 A에 들어가 B 레지스터에서 A 레지스터로 데이터를 전송하는 MOV 또는 LD 명령과 같아진다.^[3]

8. 결론

프로세서 내부의 레지스터는 계산 결과를 일시적으로 저장하거나, 메인 메모리에 접근할 때의 주소를 보존하고, 프로세서 및 주변 기기의 동작 상태를 제어하는 역할을 한다. 프로세서의 동작은 프로그램 코드에 따라 메인 메모리와 레지스터 사이에서 데이터를 주고받는 것이라고 할 수 있다.^[1]

프로세서 내부에는 보통 수 개에서 수십 개의 레지스터가 있으며, 내부 버스나 연산 회로 등과 밀접하게 연결되어 고속으로 동작한다.^[1]

프로세서의 구조(아키텍처)와 명령 집합은 내부에 어떤 레지스터가 있는지와 밀접하게 관련된다.^[1]

참조

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_[2] 웹사이트 A Survey of Techniques for Designing and Managing CPU Register File https://www.research[...]
_[3] 웹사이트 Cray-1 Computer System Hardware Reference Manual http://www.bitsavers[...] Cray Research 2022-12-23
_[4] 웹사이트 MCS-4 Micro Computer Set Users Manual https://bitsavers.co[...] Intel 1973-02
_[5] 웹사이트 8008 8 Bit Parallel Central Processor Unit Users Manual http://bitsavers.inf[...] Intel 2014-01-23
_[6] 웹사이트 Intel 8080 Microcomputer Systems User's Manual https://bitsavers.tr[...] Intel 2014-01-23
_[7] 웹사이트 80286 and 80287 Programmer's Reference Manual https://bitsavers.tr[...] Intel
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