在講CPU的寄存器之前，我們先了解一下CPU指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)指的是一個(gè)CPU所能夠處理的全部指令的集合，Athlon XP和P4都是基于x86指令集，這是CPU的根本屬性，決定CPU運(yùn)行什么樣的程序。

     指令一般分為：算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令、位操作指令及其他的一些非運(yùn)算指令，其中整數(shù)、地址、指令指針和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)是按照數(shù)據(jù)形式來(lái)劃分的。通常我們把需要CPU進(jìn)行不同處理的單個(gè)數(shù)據(jù)稱為標(biāo)量數(shù)據(jù)(Scala Data)。標(biāo)量數(shù)據(jù)既可以是整數(shù)數(shù)據(jù)，也可以是浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。其中整數(shù)標(biāo)量數(shù)據(jù)的存放區(qū)一般為通用寄存器(GPR)，浮點(diǎn)標(biāo)量數(shù)據(jù)的存放區(qū)一般為浮點(diǎn)寄存器(FPR)。與標(biāo)量數(shù)據(jù)相對(duì)的是矢量數(shù)據(jù)(Vector Data)，所謂矢量數(shù)據(jù)就是指一列需要由處理器作相同處理的數(shù)據(jù)集合。比如處理器在做MP3編碼的過(guò)程中，需要對(duì)內(nèi)存中的音頻文件里的各字節(jié)數(shù)據(jù)作相同的MP3編碼操作。那么通常使用MMX或SSE這類單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)指令，將數(shù)個(gè)字節(jié)打包為一組矢量數(shù)據(jù)，存放在MMX或SSE寄存器中，再送往相應(yīng)的功能單元進(jìn)行統(tǒng)一操作。

     其中通用寄存器是處理器中最快的存儲(chǔ)器，用來(lái)保存參加運(yùn)算的操作數(shù)和中間結(jié)果。在通用寄存器的設(shè)計(jì)上，RISC與CISC（也就是我們常說(shuō)的x86架構(gòu)）有著很大的不同。CISC的寄存器通常很少——只有8個(gè)通用寄存器。由于CPU在執(zhí)行指令過(guò)程中，存在指令依賴性，在一定程度上使得x86 CPU不能在每個(gè)時(shí)鐘周期中立即發(fā)布大量的指令。所謂“依賴性”就是指令的執(zhí)行需要前個(gè)指令的運(yùn)算結(jié)果。比如程序員經(jīng)常使用的分支程序，請(qǐng)看下面這個(gè)例子：

         A=C*1

         B=A+2

     只要變量A的值還不知道，B=A+2就不能進(jìn)行運(yùn)算。也就是說(shuō)，只要指令1的結(jié)果沒(méi)有寫進(jìn)寄存器，CPU調(diào)度器就不能把指令2發(fā)布到執(zhí)行單元。由于程序分支會(huì)造成具有較長(zhǎng)流水線CPU運(yùn)行停滯的，目前常用的解決方法是采用分支預(yù)測(cè)。

     不過(guò)，分支預(yù)測(cè)同樣存在一個(gè)問(wèn)題：流水線越長(zhǎng)，指令潛伏期也越長(zhǎng)，等待前一指令運(yùn)算結(jié)果的時(shí)間也越長(zhǎng)，同樣會(huì)造成CPU運(yùn)行停滯。我們知道，程序指令通常都有各類型的條件分支語(yǔ)句，通過(guò)驗(yàn)證條件決定執(zhí)行路線。但CPU執(zhí)行單元內(nèi)是通過(guò)一項(xiàng)特殊的預(yù)測(cè)機(jī)制選擇一條路線直接執(zhí)行（這樣可以避免驗(yàn)證語(yǔ)句條件而處于等待情況），然后在后面進(jìn)行驗(yàn)證。如果預(yù)測(cè)正確則繼續(xù)往下執(zhí)行，如果發(fā)現(xiàn)以前的預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，那么就必須返回原地重新開始，以前的指令就會(huì)作廢。

     因此，管線越長(zhǎng)，意味著出現(xiàn)分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)就越多，越多在管線內(nèi)的指令會(huì)被清除掉，而且重新讓管道填滿指令的時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)。對(duì)于普通處理器來(lái)說(shuō)，如果出現(xiàn)分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，CPU就不得不將整條流水線清空后從錯(cuò)誤的地方重新裝滿數(shù)據(jù)、重新執(zhí)行。毫無(wú)疑問(wèn)這將花更多的時(shí)間，整體性能就會(huì)下降。因此，針對(duì)通用寄存器少的問(wèn)題，在x86架構(gòu)中比較完美的解決方法就是增加寄存器的數(shù)量和采用“亂序執(zhí)行”。

3.為什么寄存器不夠用
這里大家應(yīng)該能夠明白吧，對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)次數(shù)將會(huì)可怕地增加；你需要訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間越多，那么處理器等待工作完成的時(shí)間就越長(zhǎng)——因而造成性能的下降。因此面對(duì)超標(biāo)量CPU在并行處理大量運(yùn)算，x86體系僅有的8個(gè)通用寄存器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，在同一時(shí)鐘周期中，如果有3個(gè)指令發(fā)布，你就需要3個(gè)輸出寄存器和6個(gè)輸入寄存器。我們?cè)撛趺崔k呢？聰明的工程師們發(fā)現(xiàn)了突破這個(gè)限制的方法：“寄存器重命名”。