爲何寄存器比內存快？

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。

一樣都是晶體管存儲設備，爲何寄存器比內存快呢？

Mike Ash寫了一篇很好的解釋，很是通俗地回答了這個問題，有助於加深對硬件的理解。下面就是個人簡單翻譯。

緣由一：距離不一樣

距離不是主要因素，可是最好懂，因此放在最前面說。內存離CPU比較遠，因此要耗費更長的時間讀取。

以3GHz的CPU爲例，電流每秒鐘能夠振盪30億次，每次耗時大約爲0.33納秒。光在1納秒的時間內，能夠前進30釐米。也就是說，在CPU的一個時鐘週期內，光能夠前進10釐米。所以，若是內存距離CPU超過5釐米，就不可能在一個時鐘週期內完成數據的讀取，這尚未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，固然讀起來會快一點。

距離對於桌面電腦影響很大，對於手機影響就要小得多。手機CPU的時鐘頻率比較慢（iPhone 5s爲1.3GHz），並且手機的內存緊挨着CPU。

緣由二：硬件設計不一樣

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，約爲80億位（bit）。這意味着，高性能、高成本、高耗電的設計能夠用在寄存器上，反正只有6000多位，而不能用在內存上。由於每一個位的成本和能耗只要增長一點點，就會被放大80億倍。

事實上確實如此，內存的設計相對簡單，每一個位就是一個電容和一個晶體管，而寄存器的設計則徹底不一樣，多出好幾個電子元件。而且通電之後，寄存器的晶體管一直有電，而內存的晶體管只有用到的纔有電，沒用到的就沒電，這樣有利於省電。這些設計上的因素，決定了寄存器比內存讀取速度更快。

緣由三：工做方式不一樣

寄存器的工做方式很簡單，只有兩步：（1）找到相關的位，（2）讀取這些位。

內存的工做方式就要複雜得多：

（1）找到數據的指針。（指針可能存放在寄存器內，因此這一步就已經包括寄存器的所有工做了。）
（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）肯定數據在哪個內存塊（chunk）上，從該塊讀取數據。
（5）數據先送回內存控制器，再送回CPU，而後開始使用。

內存的工做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。

爲了緩解寄存器與內存之間的巨大速度差別，硬件設計師作出了許多努力，包括在CPU內部設置緩存、優化CPU工做方式，儘可能一次性從內存讀取指令所要用到的所有數據等等。