在電腦科學中，暫存器（register）是數位裝置的一個重要元件，用於快速儲存資料和指令，它作為一個臨時儲存區域，可以快速存取和操作資訊，以便執行複雜任務；暫存器是電腦中最基本的記憶體類型，它在幫助機器高效處理資料方面有關鍵作用；在本文中，我們將探討暫存器的定義、工作原理以及它對現代電腦計算的重要性。
處理器/中央處理器 (CPU) 中的暫存器是什麼？
暫存器是一種直接嵌入處理器或中央處理器 (CPU) 中的電腦記憶體，用於在指令執行期間儲存和操作資料；暫存器可以儲存指令、位址或任何類型的資料（例如：位元序列或單個字符）。
暫存器由多個觸發器（flip-flops）組成，觸發器是能夠儲存單個位元資訊的電子電路，以二進位數據表示，即 0 或 1；透過組合多個觸發器，暫存器可以儲存更大的二進位值，如位元組或字元。
暫存器還包含控制邏輯電路，使其能夠在 CPU 內協調資料和指令的流動；這包括解碼控制訊號、執行資料操作（如載入、儲存或算術操作）以及使用多工器將資料路由到暫存器內的特定位置。
觸發器（flip-flops）和控制邏輯在暫存器內合作；觸發器提供儲存容量，而控制邏輯則促進資料傳輸、操作、和與 CPU 其他元件的同步；這使得暫存器能夠在指令執行期間高效地儲存和處理資料。
CPU 暫存器的大小
CPU 中的暫存器數量和大小取決於處理器的設計，並對其性能和功能有重大影響；大多數現代電腦處理器包括：
8 位暫存器： 這些暫存器可以儲存 8 個位元組（1 個位元組）的資料；它們通常用於基本算術運算和資料操作。
16 位暫存器： 這些暫存器可以儲存 16 個位元組（2 個位元組）的資料；它們通常出現在舊款處理器或需要 16 位元操作的特定架構中。
32 位暫存器： 這些暫存器可以儲存 32 個位元組（4 個位元組）的資料；它們廣泛應用於許多處理器中，能夠處理更大的資料大小和更複雜的計算。
64 位暫存器： 這些暫存器可以儲存 64 個位元組（8 個位元組）的資料；它們在現代處理器中普遍存在，提供更強大的計算能力和記憶體定址能力。
現代個人電腦通常配備 32 位元或 64 位元暫存器，我們常聽到的「32 位元處理器」和「64 位元處理器」就是指這些暫存器的大小或寬度，以及處理器可以在單個操作中處理的資料量。
在一些專用處理器或架構中，您還可能找到更大的暫存器，例如 128 位、256 位，甚至更大的暫存器；這些較大的暫存器通常用於特定用途，如向量處理或加密操作，涉及到並行處理和大型資料集。
CPU 暫存器的類型
根據 CPU 的架構和設計，暫存器的類型和數量可以有所不同；CPU 中常見的暫存器類型包括：
程序計數器（PC）： 程序計數器用於追蹤下一條要提取和執行的指令的記憶體地址。
指令暫存器（IR）： 指令暫存器存儲當前正在執行的指令。
累加器（ACC）： 累加器是一個通用暫存器，用於算術和邏輯運算；它在計算過程中存儲中間結果。
通用暫存器（R0、R1、R2...）： 這些暫存器用於在計算和資料操作過程中儲存資料；程式設計師可以存取和使用它們來完成各種任務。
位址暫存器（AR）： 位址暫存器用於存儲資料存取的記憶體位址，或在不同記憶體位置之間傳輸資料。
堆疊指標（SP）： 堆疊指標指向堆疊的頂部，堆疊是一個用於在函數呼叫和其他操作期間進行暫存的內存區域。
資料暫存器（DR）： 這些暫存器存儲從記憶體中提取的資料，或從輸入/輸出操作獲得的資料。
狀態暫存器/旗標暫存器（SR）： 狀態暫存器或旗標暫存器，包含個別位元，指示操作的結果，例如進位、溢位、零結果等。這些旗標有助於根據先前操作的結果做出決策和控制程式流程。
控制暫存器（CR）： 控制暫存器管理與 CPU 運作相關的各種控制設定和參數，例如中斷處理、記憶體管理和系統配置。
暫存器如何與其他 CPU 元件協同運作？
CPU 由各種元件組成，當它們一起使用時，能夠處理資料並執行計算；主要的元件包括：控制單元（CU）、算術邏輯單元（ALU）、暫存器、時脈、快取和匯流排。
CPU 示意圖：包含控制單元（CU）、算術邏輯單元（ALU）、暫存器和其與嵌入式系統中其他元件之間關係。
ALU 是 CPU 的基本元件，負責執行算術和邏輯運算，它能夠執行加法、減法、AND、OR 等操作；ALU 從暫存器中取得資料，執行所需的運算，並將結果儲存回暫存器中。
控制單元（CU）指導並協調 CPU 內各個元件的操作，它解譯指令並產生控制訊號，以管理暫存器、ALU、記憶體、和輸入/輸出設備之間的資料流動。
暫存器、ALU 和 CU 之間的互動可以總結為以下步驟：
CU 從記憶體中提取一個指令並將其儲存到指令暫存器中
CU 解碼指令以確定要執行的操作，並識別涉及的暫存器
CU 發出控制訊號以選擇適當的暫存器並將資料傳送到 ALU
ALU 在選擇的暫存器中執行算術或邏輯運算
根據 CU 的控制訊號，將操作的結果儲存回暫存器中
暫存器的用途
電腦的暫存器包含各種用途，包括：在執行前儲存程式指令，或者保存計算中的中間結果，以便在需要時可以檢索它們的值；暫存器的用途之一是，允許處理器在需要時，直接存取頻繁使用的資料，而無需每次都從主記憶體中檢索；主記憶體的存取速度通常比暫存器較慢，因此，當處理器需要頻繁存取某個資料時，將該資料儲存在暫存器中可以提高效能。這樣，處理器可以直接從暫存器中獲取資料，而不需要每次都從主記憶體中進行讀取操作，從而節省了時間。這樣的優化有助於提高電腦運算的整體執行效率。
嵌入式系統中的暫存器
在嵌入式系統中，CPU或其他處理器被廣泛用作嵌入式系統的「核心」或主要處理組件；嵌入式系統是一種嵌入到車輛、家用電器等大型設備中的自給自足的電腦系統；暫存器提供了一種快速和簡便的方式，在這些小型計算設備中儲存資料，其低功耗確保不會對設備的能源預算造成過大負擔。
在某些情況下，暫存器甚至可以用於建立特殊的暫存器檔案，使處理器能夠在一個指令週期內存取多個暫存器位址；這種暫存器檔案對於需要高速處理的應用，如：數位訊號處理（DSP） 尤其有用，透過將所有必要的資料儲存在暫存器中，並透過暫存器檔案快速存取，嵌入式系統可以比其他方法更快速、更高效地運行。
Total Phase模擬和除錯工具
在嵌入式系統中，I2C、SPI、USB和CAN是常用的通訊協定，用於將CPU與外設設備連接起來；Total Phase提供了多種工具，嵌入式系統工程師可以進行設備的開發和除錯工作，使工程師能夠測試系統的有效性並解決問題。
透過Total Phase的I2C/SPI協定分析儀 (host adapter)，使用者可以輕鬆地模擬I2C或SPI主從設備，測試整個系統的有效性；例如，使用主機模式 (master device)，使用者可以注入訊息到匯流排中，以檢查設備之間的通訊和行為；它還可以用於模擬主機設備，評估外部設備，如感測器和記憶體晶片，同時，它也可以模擬從MCU發送的命令，以測試從屬設備的反應。
Total Phase 協定分析儀產品系列 (protocol analyzer)，還可以讓使用者以非侵入式方式，即時監控匯流排通訊，輕鬆瞭解匯流排和任何協定、或匯流排錯誤的情況。
翔宇科技代理 Total Phase 全產品線，其中包括：
Total Phase I2C/SPI主機轉接器和協定分析儀的詳細比較 >>
Total Phase USB協定分析儀的詳細比較 >>
Total Phase CAN協定分析儀 >>
總結
暫存器是電腦記憶體的重要組成部分，用於儲存資料和指令以進行快速處理，它扮演著一個高效的臨時儲存區，可以快速存取和操作訊息以執行複雜的任務；利用暫存器的力量，現代電腦運算系統變得比以往任何時候都更快、更可靠。