为什么ARM有16个寄存器？

为什么ARM只有16个寄存器？这是理想的数字吗

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寄存器与更多寄存器的距离是否也会增加处理时间/功率？

要从16个寄存器中选择一个，您需要4位，因此这可能是操作码（机器命令）的最佳匹配，否则您必须引入更复杂的指令集，这将导致更大的编码器，这意味着额外的成本（执行时间）

说它有“32位的固定指令宽度，以简化解码和流水线” 因此，这是一个合理的权衡。

早在80年代（IIRC）就发表了一篇学术论文，研究了许多不同的工作负载，比较了不同数量寄存器的预期性能优势。当时RISC处理器正从学术理念过渡到主流硬件，决定什么是最佳的非常重要。CPU在速度上已经领先于内存，RISC通过限制寻址模式和使用单独的加载和存储指令使情况变得更糟。拥有更多的寄存器意味着您可以“缓存”更多的数据以进行即时访问，从而减少对主内存的访问

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考虑到只有2的幂次，结果发现32个寄存器是最佳的，尽管16个并没有远远落后

随着通用寄存器的数量越来越少，您需要开始对变量使用堆栈。使用堆栈需要更多指令，因此代码大小会增加。使用堆栈还会增加内存访问次数，这会影响性能和功耗。权衡是，为了表示更多寄存器，指令中需要更多的位，芯片上需要更多的空间来存放寄存器文件，这就增加了功耗要求。通过使用不同数量的寄存器编译同一组代码，可以看到不同的寄存器计数如何影响代码大小和加载/存储指令的频率。这类练习的结果见本文件表1：

（他们使用27作为基数，因为这是MIPS处理器上可用的GPRs数量）

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正如您所看到的，当您将寄存器计数降低到16时，程序大小和所需的加载/存储数量都只有少量的改进。真正的惩罚只有在你降到8个寄存器时才会生效。我怀疑ARM设计人员在寻找每瓦特最佳性能时认为16个寄存器是一个最佳点。

32位ARM有16个寄存器，因为它只使用4位来编码寄存器，而不是因为16是理想的数字。同样地，x86只有8个寄存器，因为在历史上，它们使用3位对寄存器进行编码，以便某些指令适合一个字节

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这是一个非常有限的数字，所以x86和ARM在使用64位寄存器时都会将数字分别增加一倍，达到16和32个寄存器。旧的ARM指令编码没有足够的剩余位来容纳更大的寄存器号，因此它们必须进行权衡，放弃有条件地执行几乎所有指令的能力，并为新功能使用4位条件（这是一个过于简单化的说法，事实上并非如此，因为编码是新的，但新寄存器还需要3位）.

ARM的独特之处在于，每个寄存器都可以有一个条件执行代码来避免测试和分支。别忘了，许多32个寄存器机器将R0固定为0，因此条件测试是通过与R0进行比较来完成的。我从经验中了解到。20年前，我不得不编写一个“模式7”（来自SNES术语）地板。CPU是用于32x的SH2（或者更确切地说是其中的两个）、MIPS3000（Playstation）和3DO（ARM），代码的内部循环是19、15和11。如果3DO的运行速度与其他两个相同，它的速度会是原来的两倍。事实上，它只是稍微慢一点。

你是说寄存器越多越好？；）我想详细介绍一下堆栈和寄存器。如果寄存器的数量不够，那么我们需要使用堆栈，但如果我们开始使用堆栈，则需要内存读/写，即获取/存储以执行操作。这将导致更多的执行周期，并将作为开销。因此，堆栈之间需要权衡和寄存器。如果你在MIPS中只计算真正的GPRs，那么在ARM32中只有13个寄存器（R0-R12，减去SP、LR和PC），x86有7个寄存器（省略帧指针时减去SP）.x86_64有15个，而ARM64有31个如果16是一个理想的数字，那么为什么ARM64应该增加它呢？选择这个数字是基于很多原因和原因的benchmarks@Lưu Vĩnh Phúc-第一个ARM处理器创建于20世纪80年代中期，晶体管数量约为30000个。当时，增加了寄存器文件的大小，以支持32个GPRs会显著增加成本和功率需求，而不会对代码密度产生相应的好处。在设计ARM64时，已经有超过10亿个晶体管的芯片，这使得增加寄存器文件大小的影响不再是问题。是的，我们希望指令能适应32位，但例如，如果你有一个ISA，它可以有两个源寄存器和一个目标寄存器，你可以用15位指定这三个寄存器，然后你还有17个剩余的寄存器用于其他东西，比如操作码等等。循环中有19、15、11个指令吗？这些指令有多少个寄存器不同的CPU有？如果你澄清这一点，那么这可能仅仅是一个答案，而不是一个应该作为评论的轶事。此外，ARM谓词执行是每个指令，而不是每个寄存器。寄存器的数量是不相关的（不同于其他答案指出的它们都消耗32位指令字中的位的事实）这是指令集中编码的2、3、4或5位的情况，ins的混合和味道是什么

Register   Program   Load/Store  
Count      Size      Frequency  

27         100.00    27.90%  
16         101.62    30.22%  
8          114.76    44.45%