寄存器与内存的区别

Posted 2020-11-05

寄存器：寄存器是有触发器或锁存器组成，通常由触发器组成，寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间传递数据非常快 
内存：内存就是存储器，由半导体器件构成。 
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。 
同样都是晶体管存储设备，为什么寄存器比内存快呢？ 
Mike Ash写了一篇很好的解释，非常通俗地回答了这个问题，有助于加深对硬件的理解。 
原因一:距离不同 
距离不是主要因素，但是最好懂。内存离CPU比较远，所以消费更长的时间储存。 
以3Ghz的CPU为例子，电流每秒可以震荡30亿次，每次耗时大概为0.33纳秒，光在1纳秒里可以前进30cm,也就是说一个CPU周期内，光可以前进10cm。因此如果内存距离CPU超过5cm,就不可能在一个时钟周期内完成数据的读写。这还没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。 
原因二：硬件设计不同 
苹果公司新推出的iphone5s，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iphone5s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耗能只要增加一点点，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。并且通电后，寄存器的晶体管一直有电，而内存的晶体管只有在用到的才有电，没用到的就没电，这样利于省电。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 
寄存器的工作方式只有2步：（1）找到相关的位（2）读取这些位 
内存的工作方式就复杂多： 
（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讲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）,由于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）内存先送回内存控制器，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。 
为了缓解寄存器和内存之间速度的巨大差异，硬件设计师做出了许多努力，包括CPU内部设置缓存，优化CPU工作方式，尽量一次从内存读取指令所要用到的全部数据等等。