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.png

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。