零寄存器如何提高性能？

Question

在MIPS ISA中，有一个零寄存器（$r0），其值始终为零。这使处理器能够：

1. 任何产生要丢弃结果的指令都可以将其目标指向该寄存器
2. 成为...的来源 0

正是在这种所述源，这提高了CPU的速度。它如何提高性能？为什么不是所有的ISA都采用该零寄存器的原因是什么？

$ r0不是通用的。它硬连线为0。无论您对该寄存器执行什么操作，它的值始终为0。您可能想知道为什么MIPS中需要这样的寄存器。

MIPS的设计人员使用了基准测试（用于确定CPU性能的程序），这使他们确信，将寄存器硬连线到0可以提高CPU的性能（速度），而不是没有。并非所有人都认为必须将寄存器硬连接为0是必要的，因此并非所有ISA的寄存器都为零。

Answer 1

对于您的每件物品，这里都有一个答案。

1. 考虑强制使用寄存器进行输出的指令，您希望在其中丢弃此输出。通常，您必须确保有可用的空闲寄存器，如果没有，则将一些当前寄存器压入堆栈，这是一项代价高昂的操作。显然，经常会发生操作的输出被丢弃的情况，解决这个问题的最简单方法是使用一个“未使用”的寄存器。
2. 既然我们有这样一个未使用的寄存器，为什么不使用它呢？很多情况下，您想要将某些内容零初始化或将某些内容与零进行比较。漫长的道路是首先将零写入该寄存器（这需要额外的指令和机器代码中零的文字，可能0x00000000是相当长的形式），然后使用它。因此，一条指令被削减了，程序大小也减少了一点。

这些优化可能看起来有点微不足道，并且可能会引发一个问题“这实际上对任何事情有多大改善？” 这里的答案是上述操作显然在您的 MIPS 处理器上使用了很多。

Answer 2

有几种潜在的方法可以提高性能；目前尚不清楚哪种处理器适用于该特定处理器，但我已按从大到小的顺序大致列出了它们。

1. 它避免了虚假的管道停顿。如果没有显式的零寄存器，则必须取出一个寄存器，将其归零，然后使用其值。这意味着使用零的操作取决于清零操作，并且（取决于流水线转发系统的功能）可能取决于清零寄存器的先前值。像x86这样的体系结构具有非常小的危害分析工具，这些体系结构的寄存器文件非常小，并且基本上对其寄存器进行虚拟化处理，以防止出现问题。RISC处理器通常并非如此。
2. 如果某些操作可以避免读取寄存器，则它们可能更具流水线性。如果使用显式零寄存器，则操作数将为零的事实在指令解码阶段才知道，而不是在寄存器获取阶段以后才知道。因此，可以跳过寄存器读取阶段。
3. 类似地，显式丢弃结果的能力避免了寄存器写阶段的需要。
4. 当某些运算的操作数之一已知为零或已知结果被丢弃时，某些运算可能会生成更简单的微码。
5. 显式的零寄存器给编译器的优化器带来了一定的压力，因为它不需要对寄存器的分配进行仔细的检查（不需要识别不会导致读写中断的寄存器）。