為什麼寄存器比記憶體快？

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原文出處：中文 ，英文

　　電腦的儲存層次（memory hierarchy）之中，寄存器（register）最快，記憶體其次，最慢的是硬碟。
　　
　　同樣都是晶體管存放裝置，為什麼寄存器比記憶體快呢？

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。記憶體離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的一個刻度內，光可以前進10厘米。因此，如果記憶體距離CPU超過5厘米，就不可能在一個刻度內完成資料的讀取，這還沒有考慮硬體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。
　　距離對於案頭電腦影響很大，對於手機影響就要小得多。手機CPU的時鐘頻率比較慢（iPhone 5s為1.3GHz），而且手機的記憶體緊挨著CPU。

原因二：硬體設計不同

　　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的記憶體是1GB，約為80億位（bit）。這意味著，高效能、高成本、高耗電的設計可以用在寄存器上，反正只有6000多位，而不能用在記憶體上。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，記憶體的設計相對簡單，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。並且通電以後，寄存器的晶體管一直有電，而記憶體的晶體管只有用到的才有電，沒用到的就沒電，這樣有利於省電。這些設計上的因素，決定了寄存器比記憶體讀取速度更快。

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。
　　記憶體的工作方式就要複雜得多：
　　（1）找到資料的指標。（指標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）將指標送往記憶體管理單元（MMU），由MMU將虛擬記憶體位址翻譯成實際的物理地址。
　　（3）將物理地址送往記憶體控制器（memory controller），由記憶體控制器找出該地址在哪一根記憶體插槽（bank）上。
　　（4）確定資料在哪一個記憶體塊（chunk）上，從該塊讀取資料。
　　（5）資料先送回記憶體控制器，再送回CPU，然後開始使用。
　　記憶體的工作流程比寄存器多出許多步。每一步都會產生延遲，累積起來就使得記憶體比寄存器慢得多。
　　為了緩解寄存器與記憶體之間的巨大速度差異，硬體設計師做出了許多努力，包括在CPU內部設定緩衝、最佳化CPU工作方式，盡量一次性從記憶體讀取指令所要用到的全部資料等等。

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