為什么寄存器比內存快？

        計算機的存儲層次（memory hierarchy）之中，寄存器（register）最快，內存其次，最慢的是硬盤。

        同樣都是晶體管存儲設備，為什么寄存器比內存快呢？

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

        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。內存離 CPU 比較遠，所以要耗費更長的時間讀取。

        以 3GHz 的 CPU 為例，電流每秒鐘可以振蕩 30 億次，每次耗時大約為 0.33納秒。光在 1 納秒的時間內，可以前進 30 厘米。也就是說，在 CPU 的一個時鐘周期內，光可以前進 10 厘米。因此，如果內存距離 CPU 超過 5 厘米，就不可能在一個時鐘周期內完成數據的讀取，這還沒有考慮硬件的限制和電流實際上達不到光速。相比之下，寄存器在 CPU 內部，當然讀起來會快一點。

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

        原因二：硬件設計不同

        蘋果公司新推出的 iPhone 5s，CPU 是 A7， 寄存器有 6000 多位（31 個 64 位寄存器，加上 32 個 128 位寄存器）。而 iPhone 5s 的內存是 1GB，約為 80 億位（bit）。這意味著，高性能、高成本、高耗電的設計可以用在寄存器上，反正只有 6000 多位，而不能用在內存上。因為每個位的成本和能耗只要增加一點點，就會被放大 80 億倍。

        事實上確實如此，內存的設計相對簡單，每個位就是一個電容和一個晶體管，而寄存器的設計則完全不同，多出好幾個電子元件。并且通電以后，寄存器的晶體管一直有電，而內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。這些設計上的因素，決定了寄存器比內存讀取速度更快。

        原因三：工作方式不同

        寄存器的工作方式很簡單，只有兩步：（1）找到相關的位，（2）讀取這些位。

        內存的工作方式就要復雜得多：

（1）找到數據的指針。（指針可能存放在寄存器內，所以這一步就已經包括寄存器的全部工作了。）

（2）將指針送往內存管理單元（MMU），由 MMU 將虛擬的內存地址翻譯成實際的物理地址。

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

（4）確定數據在哪一個內存塊（chunk）上，從該塊讀取數據。

（5）數據先送回內存控制器，再送回 CPU，然后開始使用。

        內存的工作流程比寄存器多出許多步。每一步都會產生延遲，累積起來就使得內存比寄存器慢得多。

        為了緩解寄存器與內存之間的巨大速度差異，硬件設計師做出了許多努力，包括在 CPU 內部設置緩存、優化 CPU 工作方式，盡量一次性從內存讀取指令所要用到的全部數據等等。