寄存器与存储器

复习

掌握了原码、反码和补码的概念，理解了补码可以统一加减法运算
设计完成了减法器、乘法器和除法器，它们都基于加法器和移位操作
理解了算术逻辑单元（ALU）如何集成各种运算功能
掌握了锁存器和触发器的基本原理，了解它们如何存储一位二进制数据
了解了存储器的基本构成，包括RAM和ROM的工作原理

TL;DR

寄存器是CPU内部的高速存储单元
寄存器比内存快但容量小
不同类型的寄存器有不同的用途
寄存器和存储器协同工作，构成存储层次结构

正文

为什么需要寄存器

　　我们已经有了存储器，为什么还需要寄存器呢？这要从计算机的工作原理说起：

速度差异：
- CPU运算速度很快
- 内存访问相对较慢
- 需要快速的临时存储
频繁访问：
- 某些数据被反复使用
- 存放在寄存器中更高效
- 减少内存访问次数

寄存器的类型

1. 通用寄存器

　　用于临时存储数据：

数据寄存器：
- 存储操作数
- 存储中间结果
- 直接参与运算
地址寄存器：
- 存储内存地址
- 用于内存访问
- 支持间接寻址

2. 特殊寄存器

程序计数器（PC）：
- 存储下一条指令的地址
- 控制程序执行顺序
- 自动递增或跳转
指令寄存器（IR）：
- 存储当前执行的指令
- 供指令译码使用
- 控制CPU操作
状态寄存器（PSW）：
- 存储CPU状态标志
- 记录运算结果特征
- 控制程序流程

寄存器组织

1. 寄存器文件

　　多个寄存器的集合：

32个通用寄存器：
R0-R31
每个寄存器32位
可以同时访问多个寄存器

2. 访问方式

并行访问：
- 同时读取多个寄存器
- 支持多操作数指令
- 提高执行效率
灵活寻址：
- 按编号直接访问
- 支持间接寻址
- 便于编程使用

寄存器与存储器的关系

1. 存储层次结构

　　从快到慢，从小到大：

寄存器（最快，最小）
↓
缓存（Cache）
↓
主存（RAM）
↓
外存（最慢，最大）

2. 数据交换

加载（Load）：
- 从存储器读取到寄存器
- 准备数据供CPU使用
- 减少后续访存
存储（Store）：
- 从寄存器写入存储器
- 保存计算结果
- 释放寄存器空间

实际应用举例

　　以简单的加法运算为例：

计算 A + B，结果存入 C：

1. 加载阶段：
   Load R1, [A]    // 将A的值加载到R1
   Load R2, [B]    // 将B的值加载到R2

2. 计算阶段：
   Add R3, R1, R2  // R1和R2相加，结果存入R3

3. 存储阶段：
   Store [C], R3   // 将结果从R3存入C