寄存器比內(nèi)存快的原理是什么？

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)層次（memory hierarchy）之中，寄存器（register）最快，內(nèi)存其次，最慢的是硬盤。

同樣都是晶體管存儲(chǔ)設(shè)備，為什么寄存器比內(nèi)存快呢？

Mike Ash寫了一篇很好的解釋，非常通俗地回答了這個(gè)問題，有助于加深對(duì)硬件的理解。下面就是我的簡(jiǎn)單翻譯。

原因一：距離不同

距離不是主要因素，但是最好懂，所以放在最前面說。內(nèi)存離CPU比較遠(yuǎn)，所以要耗費(fèi)更長的時(shí)間讀取。

以3GHz的CPU為例，電流每秒鐘可以振蕩30億次，每次耗時(shí)大約為0.33納秒。光在1納秒的時(shí)間內(nèi)，可以前進(jìn)30厘米。也就是說，在CPU的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)（0.33納秒），光可以前進(jìn)10厘米。

濤聲依舊注：每次震蕩的耗時(shí)也就是CPU的時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期為震蕩頻率的倒數(shù)。

因此，如果內(nèi)存距離CPU超過5厘米，就不可能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)的讀取，這還沒有考慮硬件的限制和電流實(shí)際上達(dá)不到光速。相比之下，寄存器在CPU內(nèi)部，當(dāng)然讀起來會(huì)快一點(diǎn)。

距離對(duì)于桌面電腦影響很大，對(duì)于手機(jī)影響就要小得多。手機(jī)CPU的時(shí)鐘頻率比較慢（iPhone 5s為1.3GHz），而且手機(jī)的內(nèi)存緊挨著CPU。

原因二：硬件設(shè)計(jì)不同

蘋果公司新推出的iPhone 5s，CPU是A7，寄存器有6000多位（31個(gè)64位寄存器，加上32個(gè)128位寄存器）。而iPhone 5s的內(nèi)存是1GB，約為80億位（bit）。

這意味著，高性能、高成本、高耗電的設(shè)計(jì)可以用在寄存器上，反正只有6000多位，而不能用在內(nèi)存上。因?yàn)槊總€(gè)位的成本和能耗只要增加一點(diǎn)點(diǎn)，就會(huì)被放大80億倍。

事實(shí)上確實(shí)如此，內(nèi)存的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，每個(gè)位就是一個(gè)電容和一個(gè)晶體管，而寄存器的設(shè)計(jì)則完全不同，多出好幾個(gè)電子元件。

并且通電以后，寄存器的晶體管一直有電，而內(nèi)存的晶體管只有用到的才有電，沒用到的就沒電，這樣有利于省電。

這些設(shè)計(jì)上的因素，決定了寄存器比內(nèi)存讀取速度更快。

原因三：工作方式不同

寄存器的工作方式很簡(jiǎn)單，只有兩步：

（1）找到相關(guān)的位

（2）讀取這些位。

內(nèi)存的工作方式就要復(fù)雜得多：

1.找到數(shù)據(jù)的指針。（指針可能存放在寄存器內(nèi)，所以這一步就已經(jīng)包括寄存器的全部工作了。）

2. 將指針?biāo)屯鶅?nèi)存管理單元（MMU），由MMU將虛擬的內(nèi)存地址翻譯成實(shí)際的物理地址。

3. 將物理地址送往內(nèi)存控制器（memory controller），由內(nèi)存控制器找出該地址在哪一根內(nèi)存插槽（bank）上。

4.確定數(shù)據(jù)在哪一個(gè)內(nèi)存塊（chunk）上，從該塊讀取數(shù)據(jù)。

5. 數(shù)據(jù)先送回內(nèi)存控制器，再送回CPU，然后開始使用。

內(nèi)存的工作流程比寄存器多出許多步。每一步都會(huì)產(chǎn)生延遲，累積起來就使得內(nèi)存比寄存器慢得多。

為了緩解寄存器與內(nèi)存之間的巨大速度差異，硬件設(shè)計(jì)師做出了許多努力，包括在CPU內(nèi)部設(shè)置緩存、優(yōu)化CPU工作方式，盡量一次性從內(nèi)存讀取指令所要用到的全部數(shù)據(jù)等等。