Сколько быстрее основанная на регистре архитектура, чем архитектура стека?

Это может иметь огромное значение. Однажды я приказал компилятору PowerPC / Macintosh поместить правильные локальные переменные в регистры и в 2 раза ускорил выполнение основной задачи обработки приложения. Задача была по существу связана с процессором, но устранение доступа к памяти с помощью регистров дало ускорение в 2 раза. В других обстоятельствах ускорение может быть гораздо более значительным.

Это была листовая функция. Он не вызывал других функций.

Доступ к ОЗУ обычно НАМНОГО медленнее, чем доступ к регистру, как с точки зрения задержки, так и с точки зрения пропускной способности. Существуют процессоры с аппаратным стеком ограниченного размера - это позволяет помещать регистры в стек и возвращать их обратно - но они по-прежнему используют регистры непосредственно для вычислений. Работа с чистой стековой машиной (которой есть много академических примеров) тоже довольно сложна, что добавляет сложности.

Я бы сказал, что это не проблема с компиляторами, как с процессорами. Компиляторы должны работать с целевой архитектурой.

Вот что умалчивают другие ответы: это зависит от архитектуры ЦП на уровне реальной схемы. Машинные инструкции сводятся к получению данных откуда-то, изменению данных, загрузке или переходу к следующей инструкции.

Аналогия

Думайте о проблеме, как о плотнике, который строит или ремонтирует стул для вас. Его вопросы будут: «Где стул?» И «Что нужно сделать со стулом». Возможно, он сможет починить его у вас дома, или ему, возможно, придется отнести стул в свой магазин, чтобы поработать над ним. Любой способ будет работать, но зависит от того, насколько он подготовлен к работе за пределами определенного места. Это могло его замедлить или это могло быть его специальностью.

Теперь вернемся к процессору.

Пояснение

Независимо от того, насколько параллельным может быть ЦП, например, наличие нескольких сумматоров или конвейеров декодирования команд, эти схемы расположены в определенных местах на кристалле, и данные должны быть загружены в те места, где может выполняться операция. . Программа отвечает за перемещение данных в эти места и из них. В стековой машине он может предоставлять инструкции, которые изменяют данные напрямую, но может выполнять служебные функции в микрокоде. Сумматор работает одинаково независимо от того, пришли данные из стека или из кучи. Разница в модели программирования, доступной программисту. Регистры - это в основном определенное место для работы с данными.

Ну, похоже, ответ на этот вопрос также был в книге (современная реализация компилятора на java). В книге представлены 4 ответа:

1. Некоторые процедуры не вызывают другие процедуры. Если вы нарисуете диаграмму вызовов процедур и предположите, что каждая процедура вызывает в среднем 1-2 других процедуры, вы получите дерево, в котором количество «листьев» (процедур, не вызывающих другие) превышает количество не вызывающих дерево. -левые узлы. Таким образом, вы выиграете. Некоторые компиляторы вообще не выделяют фрейм стека для этих конечных узлов.
2. Некоторые оптимизирующие компиляторы используют «межпроцедурное распределение регистров», что в основном означает, что они анализируют весь ваш исходный код и находят разумные способы сохранения аргументов процедур заранее, тем самым сводя к минимуму запись в стек.
3. Некоторые процедуры выполняются с переменной перед вызовом другой функции - в этом случае регистр можно просто перезаписать.
4. Некоторые архитектуры используют «окна регистров», так что каждый вызов функции может выделять новый набор регистров без трафика памяти.

Разница между машинами на основе стека и регистров нечеткая. Многие современные регистровые машины используют переименование регистров, чтобы скрыть стек, сбрасывая данные в фактический стек только тогда, когда у них заканчиваются внутренние регистры. Некоторые старые стековые машины делали нечто подобное, передавая несколько инструкций по конвейеру и визуально оптимизируя последовательность push-modify-pop для изменения на месте.

То, как современные процессоры используют причудливое параллельное выполнение инструкций, вероятно, не имеет большой разницы между стековыми и регистровыми машинами. Регистрирующие машины могут иметь небольшое преимущество, потому что компилятор может дать более точные подсказки о повторном использовании данных, но стековая машина Lisp стоимостью в миллиард долларов была бы очень быстрой, если бы Intel позаботилась о ее разработке.

Я думаю, вы спрашиваете, зачем использовать регистры, поскольку переменные в конечном итоге все равно попадают в стек.

Ответ таков: представьте регистры как кеш для верхних 5 или 6 (или любых других) элементов на вершине стека. Если доступ к верхней части стека осуществляется намного больше, чем к нижней (что верно для многих программ), то наличие этого кеша ускорит процесс.

Думаю, вы могли бы сказать, зачем вообще нужны регистры, видимые пользователем, вместо прозрачного кеша нескольких верхних битов. Я не уверен, но подозреваю, что предоставление компилятору информации о том, какие значения будут кэшироваться, позволяет лучше оптимизировать распределение памяти. В конце концов, если в стеке есть некоторая отсечка, после которой доступ к переменным будет намного дороже, вы должны настроить свои переменные для работы с этим.