計算機(jī)的存儲層次(memory hierarchy)之中，寄存器(register)最快，內(nèi)存其次，最慢的是硬盤。

　　同樣都是晶體管存儲設(shè)備，為什么寄存器比內(nèi)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(nèi)存離CPU比較遠(yuǎn)，所以要耗費(fèi)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(nèi)，可以前進(jìn)30厘米。也就是說，在CPU的一個時鐘周期內(nèi)，光可以前進(jìn)10厘米。因此，如果內(nèi)存距離CPU超過5厘米，就不可能在一個時鐘周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)的讀取，這還沒有考慮硬件的限制和電流實際上達(dá)不到光速。相比之下，寄存器在CPU內(nèi)部，當(dāng)然讀起來會快一點(diǎn)。

　　距離對于桌面電腦影響很大，對于手機(jī)影響就要小得多。手機(jī)CPU的時鐘頻率比較慢(iphone 5s為1.3GHz)，而且手機(jī)的內(nèi)存緊挨著CPU。

　　原因二：硬件設(shè)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(nèi)存是1GB，約為80億位(bit)。這意味著，高性能、高成本、高耗電的設(shè)計可以用在寄存器上，反正只有6000多位，而不能用在內(nèi)存上。因為每個位的成本和能耗只要增加一點(diǎn)點(diǎn)，就會被放大80億倍。

　　事實上確實如此，內(nèi)存的設(shè)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(shè)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(nèi)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(shè)計上的因素，決定了寄存器比內(nèi)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(guān)的位，(2)讀取這些位。

　　內(nèi)存的工作方式就要復(fù)雜得多：

　　(1)找到數(shù)據(jù)的指針。(指針可能存放在寄存器內(nèi)，所以這一步就已經(jīng)包括寄存器的全部工作了。)

　　(2)將指針?biāo)屯鶅?nèi)存管理單元(MMU)，由MMU將虛擬的內(nèi)存地址翻譯成實際的物理地址。

　　(3)將物理地址送往內(nèi)存控制器(memory controller)，由內(nèi)存控制器找出該地址在哪一根內(nèi)存插槽(bank)上。

　　(4)確定數(shù)據(jù)在哪一個內(nèi)存塊(chunk)上，從該塊讀取數(shù)據(jù)。

　　(5)數(shù)據(jù)先送回內(nèi)存控制器，再送回CPU，然后開始使用。

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

　　為了緩解寄存器與內(nèi)存之間的巨大速度差異，硬件設(shè)計師做出了許多努力，包括在CPU內(nèi)部設(shè)置緩存、優(yōu)化CPU工作方式，盡量一次性從內(nèi)存讀取指令所要用到的全部數(shù)據(jù)等等。