为什么寄存器比内存快？.docx

寄存器与内存的性能差异 在计算机的存储层次中，寄存器（register）最快，内存硬盘最慢。为什么寄存器比内存快呢？以下是三点原因： 原因一：距离不同 距离是影响寄存器和内存速度的重要因素。内存离 CPU 较远，需要花费更长的时间读取数据。以 3GHz 的 CPU 为例，电流每秒钟可以振荡 30 亿次，每次耗时大约为 0.33 纳秒。光在 1 纳秒的时间内，可以前进 30 厘米。因此，如果内存距离 CPU 超过 5 厘米，就不可能在一个时钟周期内完成数据的读取。这还没有考虑硬件的限制和电流实际上达不到光速。 相比之下，寄存器在 CPU 内部，当然读起来会快一点。距离对桌面电脑影响很大，对于手机影响就要小得多。手机 CPU 的时钟频率比较慢，而手机的内存紧挨着 CPU。 原因二：硬件设计不同 寄存器和内存的硬件设计不同。苹果公司新推出的 iPhone 5s，CPU 是 A7，寄存器有 6000 多位（31 个 64 位寄存器，加上 32 个 128 位寄存器）。而 iPhone 5s 的内存是 1GB，约为 80 亿位（bit）。这意味着，高性能、高成本、高耗电的设计可以用在寄存器上，反正只有 6000 多位，而不能用在内存上，因为每个位的成本和能耗只要增加一点点，就会被放大 80 亿倍。 事实上确实如此，内存的设计相对简单，每个位就是一个电容和一个晶体管，而寄存器的设计则完全不同，多出好几个电子元件。并且通电以后，寄存器的晶体管一直有电，而内存的晶体管只有用到的才有电，没用到的就没电，这样有利于省电。 原因三：工作方式不同 寄存器的工作方式很简单，只有两步：（1）找到相关的位，（2）读取这些位。内存的工作方式就要复杂得多： （1）找到数据的指针。（指针可能存放在寄存器内，所以这一步就已经包括寄存器的全部工作了。） （2）将指针送往内存管理单元（MMU），由 MMU 将虚拟的内存地址翻译成实际的物理地址。 （3）将物理地址送往内存控制器（memory controller），由内存控制器找出该地址在哪一根内存插槽（bank）上。 （4）确定数据在哪一个内存块（chunk）上，从该块读取数据。 （5）数据先送回内存控制器，再送回 CPU，然后开始使用。 内存的工作流程比寄存器多出许多步。每一步都会产生延迟，累积起来就使得内存比寄存器慢得多。 为了缓解寄存器与内存之间的巨大速度差异，硬件设计师做出了许多努力，包括在 CPU 内部设置缓存、优化 CPU 工作方式，尽量一次性从内存读取指令所要用到的全部数据等等。