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。

　　同樣都是晶體管存儲設備，為什么寄存器比內存快呢?

　　Mike Ash寫了一篇很好的解釋，非常通俗地回答了這個問題，有助于加深對硬件的理解。下面就是我的簡單翻譯。

　　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。內存離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的一個時鐘周期內，光可以前進10厘米。因此，如果內存距離CPU超過5厘米，就不可能在一個時鐘周期內完成數據的讀取，這還沒有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，當然讀起來會快一點。

　　距離對于桌面電腦影響很大，對于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)，而且手機的內存緊挨著CPU。

　　原因二：硬件設計不同

　　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的內存是1GB，約為80億位(bit)。這意味著，高性能、高成本、高耗電的設計可以用在寄存器上，反正只有6000多位，而不能用在內存上。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，內存的設計相對簡單，每個位就是一個電容和一個晶體管，而寄存器的設計則完全不同，多出好幾個電子元件。并且通電以后，寄存器的晶體管一直有電，而內存的晶體管只有用到的才有電，沒用到的就沒電，這樣有利于省電。這些設計上的因素，決定了寄存器比內存讀取速度更快。

　　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。

　　內存的工作方式就要復雜得多：

　　(1)找到數據的指針。(指針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)確定數據在哪一個內存塊(chunk)上，從該塊讀取數據。

　　(5)數據先送回內存控制器，再送回CPU，然后開始使用。

　　內存的工作流程比寄存器多出許多步。每一步都會產生延遲，累積起來就使得內存比寄存器慢得多。

　　為了緩解寄存器與內存之間的巨大速度差異，硬件設計師做出了許多努力，包括在CPU內部設置緩存、優化CPU工作方式，盡量一次性從內存讀取指令所要用到的全部數據等等。