寄存器的速度为何比内存更快？

转载自知乎 https://www.zhihu.com/question/20075426 侵删

作者：胡雨松
链接：https://www.zhihu.com/question/20075426/answer/16473901
来源：知乎
著作权归作者所有，转载请联系作者获得授权。

Memory大致包含了一下几种器件。
锁存器（Latch）。锁存器是电平敏感的，一般来讲作为构成寄存器（register）一部分出现。在时序电路中不会单独出现，不然容易引起时序错误。
寄存器（Register）。寄存器是沿敏感的。1bit的寄存器也叫（触发器）Flip-flop。最常见的Flip-flop结构是这样的：

通常不算输出的话，一个Flip-flop是由16个晶体管（Transistor）组成的 @又见山人 。
Register的速度最快，消耗的晶体管也最多，所以一般作为时序电路的组成部分。所以ALU里面其实也是包含了register的。也有register专门用来储存数据的情况，比如说shift register array，但是它们的存储容量通常非常小。要知道几个kb的register的占用面积就是相当惊人的！
SRAM（Static Random Accessible Memory）。1bit由6个晶体管组成，一般作为片上存储器使用（On-chip-memory）。它消耗的晶体管比较多，但是速度快（仅次于register）。在CPU中作为cache的组成单元，大小是几MB到几十MB。Cache不是由register组成的， @时国怀 。
DRAM（Dynamic Random Accessible Memory）。一般1bit由一个晶体加一个电容组成。虽然面积小，但是速度慢，而且需要刷新。所以通常当内存用，存储几个GB的数据。
ROM（Read Only Memory）。这个就不说了。

================================以下是答案===============================
registers are closer to the ALU than memory 不靠谱。因为register本身就是memory的一种。这里即使当内存理解也不对。应该这么说，register本身的结构决定了它能比构成内存的DRAM工作在更高的时钟频率，所以才用在速度需求最快的地方（靠近ALU）。
另外，给register的时钟频率就是CPU工作的时钟频率，cache（无论一级二级还是三级）也和CPU同频。所以从理论上讲，cache和register是一样快的。不过因为cache里面的东西不一定就是需要的，如果不需要的话就要一级一级往下读取，实在找不着才往内存里面找。在往下级找数据的时候CPU是需要等待的。

又见山人芯片（集成电路）话题优秀回答者 集成电路工程师，…
56 人赞同
‘“registers are closer to the ALU than memory" 可以解释得通吗？或者说，需要有所补充？’

这么说也不是不可以，但这种说法真正的问题在于混淆了因果。做个类比就是，刘翔因为跑得快上了奥运会，不是因为他上了奥运所以跑得快。

从计算机体系结构角度而言，需要把不同速度和容量的memory分层级，得到效率和成本间较好的平衡。最需要经常访问的数据放在速度最快容量最小的寄存器和L1 cache里，访问量最少的数据放在最慢最大的内存条里，以此类推。

一个相当粗略和不精确的描述如下：

寄存器（register）经常自身就是CPU用的触发器，往往与CPU同时钟同频，当然是最快最方便的。但这玩意一个要20多个晶体管，多了芯片面积吃不消。

SRAM的优势在于速度较快，与一般半导体工艺兼容，因此被当作cache放在芯片内部离CPU近的地方，发挥其速度快的长处。但是这玩意存储密度小（一个bit要6个晶体管），放太多就贵了。

DRAM天生速度慢但存储密度高，正好适合做内存条这种东西。

时国怀 USB，驱动开发，RTOS
22 人赞同
"registers are closer to the ALU than memory"
可以认为基本上是对的，这里先来看看访问速度的比较：

一条汇编指令大概执行过程是（不是绝对的，不同平台有差异）：

取指（取指令）、译码（把指令转换成微指令）、取数（读内存里的操作数）、计算（各种计算的过程，ALU负责）、写回（将计算结果写回内存），有些平台里，前两步会合并成一步，某些指令也不会有取数或者回写的过程。

再提一下CPU主频的概念：首先，主频绝对不等于一秒钟可以执行的指令个数，每个指令的执行成本是不同的，比如x86平台里汇编指令INC就比ADD要快，具体每个指令的时钟周期可以参考intel的手册。

为什么要提主频？因为上面的执行过程中，每个操作都需要占用一个时钟周期，对于一个操作内存的加法，就需要5个时钟周期，换句话说，500Mhz主频的CPU，最多执行100MHz条指令。

仔细观察，上面的步骤里不包括寄存器操作，对于CPU来说读/写寄存器是不需要时间的，或者说如果只是操作寄存器（比如类似mov BX,AX之类的操作），那么一秒钟执行的指令个数理论上说就等于主频，因为寄存器是CPU的一部分。

然后寄存器往下就是各级的cache，有L1 cache，L2，甚至有L3的，以及TLB这些（TLB也可以认为是cache），之后就是内存，前面说寄存器快，现在说为什么这些慢：

对于各级的cache，访问速度是不同的，理论上说L1 cache（一级缓存）有着跟CPU寄存器相同的速度，但L1 cache有一个问题，当需要同步cache和内存之间的内容时，需要锁住cache的某一块（术语是cache line），然后再进行cache或者内存内容的更新，这段期间这个cache块是不能被访问的，所以L1 cache的速度就没寄存器快，因为它会频繁的有一段时间不可用。

L1 cache下面是L2 cache，甚至L3 cache，这些都有跟L1 cache一样的问题，要加锁，同步，并且L2比L1慢，L3比L2慢，这样速度也就更低了。

最后说说内存，内存的主频现在主流是1333左右吧？或者1600，单位是MHz，这比CPU的速度要低的多，所以内存的速度起点就更低，然后内存跟CPU之间通信也不是想要什么就要什么的。

内存不仅仅要跟CPU通信，还要通过DMA控制器与其它硬件通信，CPU要发起一次内存请求，先要给一个信号说“我要访问数据了，你忙不忙？”如果此时内存忙，则通信需要等待，不忙的时候，通信才能正常。并且，这个请求信号的时间代价，就是够执行几个汇编指令了，所以，这是内存慢的一个原因。

另一个原因是：内存跟CPU之间通信的通道也是有限的，就是所谓的“总线带宽”，但，要记住这个带宽不仅仅是留给内存的，还包括显存之类的各种通信都要走这条路，并且由于路是共享的，所以任何请求发起之间都要先抢占，抢占带宽需要时间，带宽不够等待的话也需要时间。

以上两条加起来导致了CPU访问内存更慢，比cache还慢。

举个更容易懂的例子：

CPU要取寄存器AX的值，只需要一步：把AX给我拿来，AX就拿来了。
CPU要取L1 cache的某个值，需要1-3步（或者更多）：把某某cache行锁住，把某个数据拿来，解锁，如果没锁住就慢了。
CPU要取L2 cache的某个值，先要到L1 cache里取，L1说，我没有，在L2里，L2开始加锁，加锁以后，把L2里的数据复制到L1，再执行读L1的过程，上面的3步，再解锁。
CPU取L3 cache的也是一样，只不过先由L3复制到L2，从L2复制到L1，从L1到CPU。
CPU取内存则最复杂：通知内存控制器占用总线带宽，通知内存加锁，发起内存读请求，等待回应，回应数据保存到L3（如果没有就到L2），再从L3/2到L1，再从L1到CPU，之后解除总线锁定。

这个链接是个图，可以看看CPU离主存（main memory）有多远，这个图没画寄存器，可以理解为：所有的L1 cache下面是寄存器，寄存器下面是CPU

达达lee 潜水/摄影/骑马/画画/开飞机/烹饪 以上都…
13 人赞同
转载一篇文章：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。

同样都是晶体管存储设备，为什么寄存器比内存快呢？

Mike Ash写了一篇很好的解释，非常通俗地回答了这个问题，有助于加深对硬件的理解。下面就是我的简单翻译。

原因一：距离不同

距离不是主要因素，但是最好懂，所以放在最前面说。内存离CPU比较远，所以要耗费更长的时间读取。

以3GHz的CPU为例，电流每秒钟可以振荡30亿次，每次耗时大约为0.33纳秒。光在1纳秒的时间内，可以前进30厘米。也就是说，在CPU的一个时钟周期内，光可以前进10厘米。因此，如果内存距离CPU超过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很大，对于手机影响就要小得多。手机CPU的时钟频率比较慢（iPhone 5s为1.3GHz），而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、高耗电的设计可以用在寄存器上，反正只有6000多位，而不能用在内存上。因为 每个位的成本和能耗只要增加一点点，就会被放大80亿倍。

事实上确实如此，内存的设计相对简单，每个位就是一个电容和一个晶体管，而寄存器的设计则完全不同，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，而内存的晶体管只有用到的才有电，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。