为什么寄存器比内存快？

Posted 2020-12-28 z-joshua

计算机的存储层次（memory hierarchy）之中，寄存器（register）最快，内存其次，最慢的是硬盘。 
　　　　

 
　　相同都是晶体管存储设备，为什么寄存器比内存快呢？

原因一：距离不同

　　距离不是主要因素，可是最好懂，所以放在最前面说。内存离CPU比較远。所以要耗费更长的时间读取。

　　以3GHz的CPU为例，电流每秒钟能够振荡30亿次。每次耗时大约为0.33纳秒。

光在1纳秒的时间内，能够前进30厘米。也就是说。在CPU的一个时钟周期内。光能够前进10厘米。

因此。假设内存距离CPU超过5厘米。就不可能在一个时钟周期内完毕数据的读取。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。 
　　距离对于桌面电脑影响非常大。对于手机影响就要小得多。手机CPU的时钟频率比較慢（iPhone 5s为1.3GHz）。并且手机的内存紧挨着CPU。

原因二：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、高耗电的设计能够用在寄存器上，反正仅仅有6000多位，而不能用在内存上。

由于每一个位的成本和能耗仅仅要添加一点点，就会被放大80亿倍。

　　其实确实如此，内存的设计相对简单，每一个位就是一个电容和一个晶体管。而寄存器的设计则全然不同，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，而内存的晶体管仅仅实用到的才有电，没用到的就没电，这样有利于省电。

这些设计上的因素，决定了寄存器比内存读取速度更快。

原因三：工作方式不同

　　寄存器的工作方式非常easy。仅仅有两步：（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含寄存器的所有工作了） 

　　（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，然后開始使用。

　　内存的工作流程比寄存器多出很多步。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。硬件设计师做出了很多努力。包含在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所有数据等等。