为什么寄存器比内存快？

约定不等于承诺〃 2022-08-13 00:47 188阅读 0赞

原文链接：[http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/10/register.html][http_www.ruanyifeng.com_blog_2013_10_register.html]

计算机的[存储层次][Link 1]（memory hierarchy）之中，[寄存器][Link 2]（register）最快，内存其次，最慢的是硬盘。

![存储层次][2013101401.png]

同样都是晶体管存储设备，为什么寄存器比内存快呢？

![晶体管][2013101402.jpg]

[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。下面就是我的简单翻译。

原因一：距离不同

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

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][Link 3]。光在1纳秒的时间内，可以前进30厘米。也就是说，在CPU的一个[时钟周期][Link 4]内，光可以前进10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。

距离对于桌面电脑影响很大，对于手机影响就要小得多。手机CPU的时钟频率比较慢（iPhone 5s为1.3GHz），而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。

![A7][A7 1]

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][Link 5]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。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][Link 6]（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][Link 7]、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。

（完）

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[Link 1]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AD%98%E5%82%A8%E5%B1%82%E6%AC%A1
[Link 2]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AF%84%E5%AD%98%E5%99%A8
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[Mike Ash]: http://www.mikeash.com/pyblog/friday-qa-2013-10-11-why-registers-are-fast-and-ram-is-slow.html
[Link 3]: http://en.wikipedia.org/wiki/Nanosecond
[Link 4]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%B6%E9%92%9F%E9%A2%91%E7%8E%87
[A7]: http://en.wikipedia.org/wiki/Apple_A7
[A7 1]: http://image.beekka.com/blog/201310/2013101403.jpg
[Link 5]: http://en.wikipedia.org/wiki/Register_file#Array
[Link 6]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%86%85%E5%AD%98%E7%AE%A1%E7%90%86%E5%8D%95%E5%85%83
[memory controller]: http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_controller
[Link 7]: http://zh.wikipedia.org/wiki/CPU%E7%BC%93%E5%AD%98