💿 KAIST:PINTOS | Concept | Register

🔍 Register란?

📌 정의

레지스터(Register)는 CPU 내부에 내장된 초고속 저장 공간이다.
모든 계산과 데이터 처리의 출발점이자 종착점으로, 프로그램이 실행될 때
거의 모든 연산은 Register를 거친다.

CPU가 어떤 데이터를 다루든 반드시 레지스터에 먼저 올려야 처리할 수 있다.

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🧠 왜 중요한가?

• 속도: Register는 CPU 내부에 존재하므로, 가장 빠른 접근 속도를 자랑한다.
• 연산 중심: 산술, 논리 연산 등은 반드시 레지스터를 통해서만 수행된다.
• 문맥 전환: PintOS와 같은 OS에서 스레드를 전환할 때, 레지스터 값을 저장하고 복원해야 한다.

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🧩 쉽게 이해하는 Register

📖 비유

레지스터는 셰프가 손에 들고 있는 칼, 도마
(즉각 연산 가능한 공간)

반면 메모리는 선반 위에 있는 식재료 창고처럼 느리지만 넓은 저장 공간이다.
레지스터가 없다면 CPU는 단 하나의 연산도 할 수 없다.

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⚙️ 주요 레지스터 목록 (x86_64 기준)

이름	설명
rax	산술 연산 결과, 함수 반환값 저장
rbx	일반 저장용 (보존되는 레지스터)
rcx	루프, 반복 카운터
rdx	보조 연산용
rsi, rdi	함수 인자 전달
rsp	스택 포인터 (Stack Pointer)
rbp	프레임 포인터 (Base Pointer)
rip	명령어 포인터 (Instruction Pointer)

💡 특히 rsp, rbp, rip, rax는 OS 레벨 프로그래밍에서 핵심 역할을 한다.

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💾 PintOS에서의 활용

✅ 인터럽트 프레임 (struct intr_frame)

• 인터럽트 발생 시, CPU는 레지스터 값을 intr_frame 구조체에 저장
• 복귀 시 이 값을 다시 복원하여 정확히 이어서 실행함

✅ 문맥 전환

• 스레드를 전환할 때 rsp, rbp, rip 등 레지스터 값을 저장해 두고,
  다시 다른 스레드의 값으로 레지스터를 교체한다.

🚨 Register가 어떤 역할을 하는지 이해하지 못하면, 문맥 전환과 인터럽트가 단순한 '저장과 복원' 이상이라는 걸 파악하기 어렵다.

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⏱️ 속도 측면에서 어디에 위치할까?

저장소	속도 (대략적인 cycle)
Register	⏱️ 1 cycle
L1 Cache	3~4 cycle
L2 Cache	10~15 cycle
RAM (Memory)	100~300 cycle
SSD	수만~수십만 cycle

→ Register는 단연코 가장 빠른 기억장치이다.

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📘 마무리 요약

• 레지스터는 CPU 내부의 연산 전용 초고속 임시 기억 공간이다.
• 모든 산술/논리 연산은 반드시 레지스터를 거친다.
• PintOS에서는 스레드 전환, 인터럽트 처리 등 시스템 핵심 로직에서
  레지스터 저장/복원이 필수로 등장한다.