为什么寄存器比内存快？

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。
 

存储层次

　　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

　　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。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

　　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（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、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。
 
阮一峰
http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/10/register.html