レジスタとは？CPUの基礎から種類・使い方、コンパイラ割り当てとセキュリティ対策まで解説

レジスタとは — 基本概念

レジスタ（register）は、CPU やマイクロコントローラ内部に存在する超高速な記憶装置です。主に演算のオペランド（操作対象）や演算結果、一時的なデータやプログラム制御情報（命令ポインタ、フラグなど）を格納します。レジスタはキャッシュや主記憶（RAM）に比べてアクセス速度が非常に速く、プロセッサの性能に直接影響します。一般にレジスタは数十個程度と非常に数が限られているため、コンパイラやアセンブリ言語での効率的な利用が重要です。

レジスタの種類（概観）

• 汎用レジスタ（General-purpose registers）：整数演算やアドレス計算、関数呼び出しの引数・戻り値格納などに用いられる。
• 特殊目的レジスタ（Special-purpose registers）：命令ポインタ（PC/RIP）、スタックポインタ（SP/RSP）、フレームポインタ（BP/RBP）など、特定の機能に割り当てられる。
• ステータス/フラグレジスタ：演算結果の符号、ゼロ、キャリー、オーバーフローなどの状態ビットを保持する（例：x86 の EFLAGS、ARM の PSTATE/NZCV）。
• 浮動小数点/ベクトルレジスタ：浮動小数点演算や SIMD 演算に使われる（x86 の XMM/YMM/ZMM、ARM の NEON/V 系）。
• 制御レジスタ・システムレジスタ：ページングや保護モード設定など、CPU の動作モードを制御する（x86 の CR0、MSR、RISC-V の CSR など）。
• デバッグレジスタ：ハードウェアブレークポイントなどのデバッグに使われる（x86 の DRn）。
• メモリマップト・レジスタ／ペリフェラルレジスタ：マイクロコントローラや SoC の周辺機器が持つレジスタ。CPU レジスタとは別に外部デバイスの状態や制御に使われる。

代表的なアーキテクチャのレジスタ例

• x86/x86-64：32/64bit 系では汎用レジスタに EAX/RAX、EBX/RBX、ECX/RCX、EDX/RDX、RBP、RSP、RSI、RDI、そして R8–R15（x86-64）などがある。命令ポインタは RIP、フラグは EFLAGS（RFLAGS）で、制御レジスタに CR0–CR4、モデル固有レジスタ（MSR）などがある。浮動小数点は古い x87 スタック型（ST0–ST7）や SSE/AVX の XMM/YMM/ZMM がある。
• ARM / AArch64：32-bit ARM では R0–R15、AArch64（64-bit）では汎用レジスタ X0–X30、SP（スタックポインタ）、PC（プログラムカウンタ）、PSTATE（NZCV 等のフラグ）がある。浮動小数点/ベクトルは V レジスタ群（NEON、SVE など）。
• RISC-V：x0–x31（x0 は常に 0）、レジスタには ABI 名（例えば x1=ra、x2=sp、x10–x17=a0–a7（引数/戻り値））が対応。制御・状態レジスタは CSR（Control and Status Registers）。

速度・サイズ・物理構造

レジスタは一般にビット幅（幅）は CPU のアーキテクチャ幅に依存します（32-bit、64-bit など）。物理的にはレジスタファイル（register file）として実装され、読み出し/書き込みポートが複数用意されることが多いです。レジスタへのアクセスは通常1サイクル（あるいはそれに準ずる非常に短い遅延）で完了するため、キャッシュや主記憶より圧倒的に高速です。

コンパイラとレジスタ割り当て

プログラム言語（C など）のローカル変数や一時値は、コンパイラの最適化過程でレジスタに割り当てられます。レジスタ数が限られているため「レジスタ割り当て（register allocation）」問題が生じ、必要に応じてメモリへ退避（spilling）します。代表的なアルゴリズムにはグラフ彩色ベースの割り当てや線形走査（linear scan）があります。

さらに、呼び出し規約（Calling convention）によって関数の引数や戻り値がどのレジスタに置かれるか、どのレジスタを呼び出し側（caller）が保存するか（caller-saved）／callee（被呼び出し側）が保存するか（callee-saved）が決められており、これがコンパイラ生成コードに影響します。例えば、System V AMD64 では整数引数は RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9 に割り当てられ、戻り値は RAX を使います（Windows x64 は異なる順序を使う）。

マイクロアーキテクチャ：レジスタリネーミングと投機実行

現代の高性能 CPU では「リオーダバッファ（ROB）」「物理レジスタファイル」と「レジスタリネーミング」により、アーキテクチャ上のレジスタ（論理レジスタ）と物理的な保存場所を分離して実装します。これにより、命令のアウトオブオーダ実行中の偽データ依存（WAR/WAW）を回避し、パイプラインの並列性を高めます。また、投機実行や分岐予測の失敗時にはリネーミング辞書を戻すことで状態を復旧します。

パイプラインハザードとレジスタの関係

レジスタを使う命令間にはデータ依存があり、以下のようなハザードが発生します。

• RAW（Read After Write）: 真の依存。書き込み後に読み取るケース。
• WAR（Write After Read）: 偽の依存。リネーミングで対処可能。
• WAW（Write After Write）: 同様に偽の依存でリネーミングで解消。

これらをうまく処理することがパフォーマンス向上の鍵です。

アセンブリとレジスタの使い方（簡単な例）

以下は概念を示す簡単な例（擬似アセンブリ記述）。

• x86-64: mov rax, rbx ; rbx の値を rax にコピー
• ARM64: mov x0, x1 ; x1 の値を x0 にコピー
• RISC-V: add x5, x6, x7 ; x5 = x6 + x7

関数呼び出しでは、引数は規約で定められたレジスタに置かれ、戻り値も定められたレジスタ（例：RAX、X0、a0）に格納されます。

特別な注意点：メモリマップドレジスタとボルトタイル

組み込み系や SoC では、「レジスタ」という用語がデバイスの制御レジスタ（メモリマップド I/O）を指すことがあります。これらは CPU 内部のレジスタとは異なり、物理アドレス空間にマップされたレジスタで、特定のアドレスへ読み書きすることで周辺機器を制御します。これらのアクセスは通常「volatile」として扱い、最適化で勝手に取り除かれないようにする必要があります。

安全性・脆弱性との関連

レジスタはマイクロアーキテクチャの設計に深く結びついており、投機実行やリネーミングなどの機能はスペクター、メルトダウンのような脆弱性（投機実行による情報漏洩）と関係します。例えばアウトオブオーダ実行中の投機的な読み出しがキャッシュ状態に影響を与え、それがサイドチャネル攻撃につながる事例が報告されています。これに対し、マイクロコードや OS/ハードウェア側の緩和措置が導入されています。

まとめ（実務でのポイント）

• レジスタは高速で限られたストレージ。最適な利用が性能に直結する。
• アーキテクチャごとにレジスタ集合や役割、呼び出し規約が異なるため、低レベル開発では仕様を正確に把握することが重要。
• コンパイラの最適化やレジスタ割り当ての理解は、パフォーマンスチューニングに役立つ。
• 組み込み系ではメモリマップドレジスタの扱いに注意（volatile、メモリバリアなど）。
• 現代 CPU の投機実行やリネーミングは高速化に寄与するが、セキュリティ観点での影響も考慮する。

参考文献

• Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual (Intel)
• ARM Architecture Reference Manual (ARM Developer)
• RISC-V Specifications (riscv.org)
• Processor register — Wikipedia
• Register renaming — Wikipedia
• System V AMD64 ABI (x86-64 calling conventions) — 参考文書
• Microsoft x64 Calling Convention (MS Docs)