计算机的存储层次（memory hierarchy）之中，存放器（register）最快，内存其次，最慢的是硬盘。
同样都是电子元器件晶体管存储设备，为什么存放器比内存快呢？
Mike Ash写了一篇很好的解释，十分浅显地答复了这个问题，有助于加深对硬件的了解。下面就是我的简单翻译。
缘由一：间隔不同
间隔不是主要要素，但是最好懂，所以放在最前面说。内存离电子元器件CPU比拟远，所以要消耗更长的时间读取。
以3GHz的CPU为例，电流每秒钟能够振荡30亿次，每次耗时大约为0.33纳秒。光在1纳秒的时间内，能够行进30厘米。也就是说，在CPU的一个时钟周期内（0.33纳秒），光能够行进10厘米。
因而，假如内存间隔CPU超越5厘米，就不可能在一个时钟周期内完成数据的读取，这还没有思索硬件的限制和电流实践上达不到光速。相比之下，存放器在CPU内部，当然读起来会快一点。
间隔关于桌面电脑影响很大，关于手机影响就要小得多。手机CPU的时钟频率比拟慢（iPhone 5s为1.3GHz），而且手机的内存紧挨着CPU。
缘由二：硬件设计不同
苹果公司新推出的iPhone 5s，CPU是A7，存放器有6000多位（31个64位存放器，加上32个128位存放器）。而iPhone 5s的内存是1GB，约为80亿位（bit）。
这意味着，高性能、高本钱、高耗电的设计能够用在存放器上，反正只要6000多位，而不能用在内存上。由于每个位的本钱和能耗只需增加一点点，就会被放大80亿倍。
事实上的确如此，内存的设计相对简单，每个位就是一个电容和一个晶体管，而存放器的设计则完整不同，多出好几个电子元件。
并且通电以后，存放器的晶体管不断有电，而内存的晶体管只要用到的才有电，没用到的就没电，这样有利于省电。
这些设计上的要素，决议了存放器比内存读取速度更快。
缘由三：工作方式不同
存放器的工作方式很简单，只要两步：
（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。（指针可能寄存在存放器内，所以这一步就曾经包括存放器的全部工作了。）
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践的物理地址。
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. 肯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，然后开端运用。
内存的工作流程比存放器多出许多步。每一步都会产生延迟，累积起来就使得内存比存放器慢得多。
为了缓解存放器与内存之间的宏大速度差别，硬件设计师做出了许多努力，包括在电子元器件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
网友评论