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。
相同都是晶体管存储设备,为什么寄存器比内存快呢?
原因一:距离不同
距离不是主要因素,可是最好懂,所以放在最前面说。内存离CPU比較远。所以要耗费更长的时间读取。
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,能够前进30厘米。也就是说。在CPU的一个时钟周期内。光能够前进10厘米。
因此。假设内存距离CPU超过5厘米。就不可能在一个时钟周期内完毕数据的读取。这还没有考虑硬件的限制和电流实际上达不到光速。相比之下,寄存器在CPU内部,当然读起来会快一点。
距离对于桌面电脑影响非常大。对于手机影响就要小得多。手机CPU的时钟频率比較慢(iPhone 5s为1.3GHz)。并且手机的内存紧挨着CPU。
原因二:硬件设计不同
苹果公司新推出的iPhone 5s,CPU是A7。寄存器有6000多位(31个64位寄存器,加上32个128位寄存器)。而iPhone 5s的内存是1GB,约为80亿位(bit)。
这意味着。高性能、高成本、高耗电的设计能够用在寄存器上,反正仅仅有6000多位,而不能用在内存上。
由于每一个位的成本和能耗仅仅要添加一点点,就会被放大80亿倍。
其实确实如此,内存的设计相对简单,每一个位就是一个电容和一个晶体管。而寄存器的设计则全然不同,多出好几个电子元件。并且通电以后,寄存器的晶体管一直有电,而内存的晶体管仅仅实用到的才有电,没用到的就没电,这样有利于省电。
这些设计上的因素,决定了寄存器比内存读取速度更快。
原因三:工作方式不同
寄存器的工作方式非常easy。仅仅有两步:(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含寄存器的所有工作了。
)
(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,然后開始使用。
内存的工作流程比寄存器多出很多步。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。硬件设计师做出了很多努力。包含在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所有数据等等。