Registre (informatique) - Définition

Introduction

En architecture des ordinateurs, un registre est un emplacement de mémoire interne à un processeur. Les registres se situent au sommet de la hiérarchie mémoire : il s'agit de la mémoire au meilleur temps d'accès, mais dont le coût de fabrication est le plus élevé car la place dans un microprocesseur est limitée. Leur nombre dépasse les quelques Mo 2 à 3 sur la dernière génération de processeur en cache de niveau 2 et 3

Une architecture externe de processeur définit un ensemble de registres, dits architecturaux, qui sont accessibles par son jeu d'instructions. Ils constituent l'état externe (architectural) du processeur. Cependant, une réalisation donnée d'une architecture externe (microarchitecture) peut contenir un ensemble différent de registres, qui sont en général plus nombreux que les registres architecturaux. Ils stockent non seulement l'état externe du processeur, mais aussi celui de sa microarchitecture : valeurs opérandes, indicateurs, etc. Ce dernier état est utilisé exclusivement par la microarchitecture, et n'est pas visible par le jeu d'instructions (architecture).

La plupart des architectures modernes sont qualifiées de load-store : les programmes transfèrent d'abord des données de la mémoire centrale vers des registres, puis effectuent des opérations sur ces registres, et enfin transfèrent le résultat en mémoire centrale.

Utilisation des registres

On rencontre souvent les registres suivants :

• compteur ordinal : indique l'emplacement de la prochaine instruction à être exécutée (synonymes : compteur de programme, pointeur d'instruction) ;
• pointeur de pile : indique la position du prochain emplacement disponible dans la pile mémoire ;
• registre d'instruction : contient l'instruction en cours pendant son exécution ;
• accumulateur : dans certaines architectures, stocke les résultats des opérations arithmétiques et logiques ;
• registre d'index : utilisé comme index lorsqu'on utilise le mode d'adressage du même nom ;
• registre d'état : décrit l'état du processeur ; il est le plus souvent interprété bit à bit (synonyme : drapeaux).

Certains registres sont destinés à stocker des adresses (les deux premiers dans la liste ci-dessus), d'autres des données.

Sur certaines architectures, tout ou partie des registres spécialisés sont remplacés par un ensemble de registres d'usage général interchangeables (parfois notés R0, R1, etc.). Par exemple, le Motorola 68000 dispose de 8 registres de données banalisés (D0 à D7) et de 8 registres d'adresses (A0 à A7, banalisés sauf A7 qui sert de pointeur de pile).

Il est possible de faire correspondre les registres avec des adresses mémoire, typiquement à partir de 0 (c’est-à-dire que les cases mémoire d'adresse 0 à 31 pourront correspondre aux registres R0 — R31). C'est par exemple le cas des 16 registres du PDP-10. Les programmeurs astucieux désirant optimiser le temps d'exécution d'une boucle de code avaient donc la possibilité de la stocker dans les registres. Cette méthode évidemment marginale et dépendante de l'architecture de l'ordinateur montre la versatilité des registres généraux.

Exemple de l'architecture x86/IA-32

Le 8088 comporte quatre registres généraux de 16 bits appelés AX, BX, CX, DX. Cependant, son jeu d'instructions comportes quelques spécialisations :

• BX est utilisé comme registre d'index (adressage dit de base) ;
• CX sert à contrôler des boucles introduites par l'instruction LOOP ;
• DX est utilisé pour certaines divisions.

Il comporte également quatre registres de segment appelés :

• CS (Code Segment) : sera utilisé chaque fois qu'il s'agit d'une adresse du « code » (du programme), c’est-à-dire de IP ;
• DS (Data Segment) : sera utilisé chaque fois qu'il s'agit d'une adresse de « données », c'est-à-dire des variable du programme, autrement dit, tous les « registres de données » (AX, BX, CX, DX) et également SI pour les « instructions de string » (voir « ES » ci-dessous) ;
• SS (Stack Segment) : utilisé avec les registres SP et BP ; la pile sert par exemple à garder en mémoire les contenus des registres CS et IP lors de l'exécution d'instructions call ou des interruptions ;
• ES : utilisé essentiellement avec le registre DI pour les « instructions de string » (« string primitive instructions ») qui permettent des transferts d'emplacements en mémoire contigus (« en chaîne »).

Autres registres

Certains de ces registres peuvent se trouver dans le microprogramme du processeur. Sur architecture x86, pour le mode protégé :

• GDTR où est stockée l'adresse de la table globale de descripteurs (GDT) ;
• LDTR où est stockée l'adresse de la table locale de descripteurs (LDT) du processus courant (voir (en) Local Descriptor Table) ;
• IDTR où est stockée l'adresse et la taille de l'IDT (Interrupt Descriptor Table) ;
• TR où est stockée l'adresse du TSS du processus courant ;
• CR0 (Control Register 0 ou MSWR pour Machine Status Word Register) où sont stockés des indicateurs pour l'ensemble du système (activation de la segmentation et de la pagination entre autres) ;
• CR3 (Control Register 3 ou PDBR pour Page Directory Base Register) où est stockée l'adresse du Page Directory courant (pagination).