為什麼暫存器比記憶體快？

計算機的儲存層次（memory hierarchy）之中，暫存器（register）最快，記憶體其次，最慢的是硬碟。

同樣都是電晶體儲存裝置，為什麼暫存器比記憶體快呢？

mike ash寫了一篇很好的解釋，非常通俗地回答了這個問題，有助於加深對硬體的理解。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。記憶體離cpu比較遠，所以要耗費更長的時間讀取。

以3ghz的cpu為例，電流每秒鐘可以振盪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厘公尺。也就是說，在cpu的乙個時鐘週期內，光可以前進10厘公尺。因此，如果記憶體距離cpu超過5厘公尺，就不可能在乙個時鐘週期內完成資料的讀取，這還沒有考慮硬體的限制和電流實際上達不到光速。相比之下，暫存器在cpu內部，當然讀起來會快一點。

距離對於桌面電腦影響很大，對於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），而且手機的記憶體緊挨著cpu。

原因二：硬體設計不同

事實上確實如此，記憶體的設計相對簡單，每個位就是乙個電容和乙個電晶體，而暫存器的設計則完全不同，多出好幾個電子元件。並且通電以後，暫存器的電晶體一直有電，而記憶體的電晶體只有用到的才有電，沒用到的就沒電，這樣有利於省電。這些設計上的因素，決定了暫存器比記憶體讀取速度更快。

原因三：工作方式不同

暫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。

記憶體的工作方式就要複雜得多：

（1）找到資料的指標。（指標可能存放在暫存器內，所以這一步就已經包括暫存器的全部工作了。）

（2）將指標送往記憶體管理單元（mmu），由mmu將虛擬的記憶體位址翻譯成實際的實體地址。

（3）將實體地址送往記憶體控制器（memory controller），由記憶體控制器找出該位址在哪一根記憶體插槽（bank）上。

（4）確定資料在哪乙個記憶體塊（chunk）上，從該塊讀取資料。

（5）資料先送回記憶體控制器，再送回cpu，然後開始使用。

為了緩解暫存器與記憶體之間的巨大速度差異，硬體設計師做出了許多努力，包括在cpu內部設定快取、優化cpu工作方式，盡量一次性從記憶體讀取指令所要用到的全部資料等等。

為什麼暫存器比記憶體快？

分類 計算機原理及常識 2013 10 15 20 54 266人閱讀收藏 舉報記憶體 計算機暫存器 原文出處 mike ash 譯文出處 阮一峰 計算機的儲存層次 memory hierarchy 之中，暫存器 register 最快，記憶體其次，最慢的是硬碟。同樣都是電晶體儲存裝置，為什麼暫存器...

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