什么是“寄存器机”？

Question

来自 http://code.google.com/p/unladen-swallow/wiki/ProjectPlan 的内容摘录：

“使用即时编译（JIT）将使我们能够把Python从基于栈的机器转移到基于寄存器的机器，这在其他类似语言中已经证明能提高性能（Ierusalimschy 等，2005；Shi 等，2005）。”

在大学时，我为一种支持递归过程的语言构建了一个简单的编译器——它为每个调用的过程维护了栈帧，这样就可以递归调用，并且参数和返回值也能正常工作……

有两个问题：

1) 我理解的是否正确，我实现的东西可以被称为“基于栈的机器”，因为上面引用的术语？

2) 如果我在第（1）点的假设是对的，那么“基于寄存器的机器”是如何工作的？也就是说，它和基于栈的机器有什么不同？

谢谢！

Answer 1

寄存器机器使用固定数量的寄存器或“桶”来存储计算过程中的中间值。举个例子，“加法”指令可以把两个特定寄存器里的值相加，然后把结果存储到另一个寄存器里。

栈式机器则使用一个栈来存储计算过程中的中间值。比如，要加两个数字时，“加法”指令会从栈里取出两个值，把它们相加，然后把结果再放回栈里。

Answer 2

寄存器机器几乎总是有一个栈。

但是栈机器很少有明显可见的寄存器，或者可能只有一两个寄存器。

寄存器机器可能有一些栈操作，甚至可能有栈寻址模式。

它们的区别在于使用的方式。寄存器机器主要有一些指令是针对寄存器的，同时也有少量指令用于在寄存器和栈或内存之间加载和存储数据。

而栈机器……实际上作为硬件设备非常少见……它的指令直接在栈上操作，并且也有少量指令用于在栈和内存之间加载和存储数据。

现在，硬件寄存器机器比硬件栈机器快的原因，可能和软件“寄存器”虚拟机比软件“栈”机器快的原因无关，正如引用的论文所说。

对于软件虚拟机，显然是需要执行的指令更少。根据引用的论文中的说法，这是通过实验证明的，但我想这可能是因为在寄存器机器中，像推入、弹出和交换这样的额外指令要少得多，并且寄存器机器可以轻松重用操作数，如果它们仍然在寄存器文件中，而不需要加载或推入操作。当然，这其实都是内存；它们是虚拟寄存器。

Answer 3

寄存器机器是一种硬件或软件单元，它在处理数据时，会从内存中取出数据，把它放到一个可以快速处理的位置，然后再把结果返回。

举个例子，普通的CPU就是一种寄存器机器。因为CPU里的算术逻辑单元（ALU）只能在寄存器中处理数字。

而基于栈的机器则是把数据放到一个栈上，然后可以从栈上取出或放入数据。

比如，两个数字相加的过程可以这样表示：

Push 2 // Push 2 onto the stack
Push 3 // Push 3 onto the stack
Add // Add the top two things on the stack.

在寄存器机器中，这个过程可能会是这样的：

Load x, r0 // Load x onto register 0
Load y, r1 // Load y onto register 1
Add r0, r1, r2 // Add 1 and 2 and store the result in register 2