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。 
　　　　

 
　　相同都是晶體管存儲設備，爲何寄存器比內存快呢？

緣由一：距離不一樣

　　距離不是主要因素，但是最好懂，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，電流每秒鐘可以振盪30億次。每次耗時大約爲0.33納秒。

光在1納秒的時間內，可以前進30釐米。也就是說。在CPU的一個時鐘週期內。光可以前進10釐米。

所以。假設內存距離CPU超過5釐米。就不可能在一個時鐘週期內完畢數據的讀取。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是大。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）。而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、高耗電的設計可以用在寄存器上，反正僅僅有6000多位，而不能用在內存上。

因爲每個位的成本和能耗僅僅要添加一點點，就會被放大80億倍。

　　其實確實如此，內存的設計相對簡單，每個位就是一個電容和一個晶體管。而寄存器的設計則全然不一樣，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，而內存的晶體管僅僅實用到的纔有電，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是easy。僅僅有兩步：（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含寄存器的全部工做了） 

　　（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不少步。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。硬件設計師作出了不少努力。包含在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全部數據等等。