中央处理器的关键：寄存器与内存的区别

寄存器是中央处理器内的组成部份。它跟CPU有关。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。

内存既专业名上的内存储器，内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的。它包涵的范围也很大，一般分为只读存储器和随即存储器，以及最强悍的高速缓冲存储器（CACHE）。

只读存储器应用广泛，它通常是一块在硬件上集成的可读芯片，作用是识别与控制硬件，它的特点是只可读取，不能写入。

随机存储器的特点是可读可写，断电后一切数据都消失，我们所说的内存条就是指它了。它也只是存储器中的沧海一粟，是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存（Memory）也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。

计算机的存储层次（memoryhierarchy）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？

MikeAsh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。

原因一：距离不同

距离不是主要因素，但是最好懂。内存离CPU比较远，所以消费更长的时间储存。

以3Ghz的CPU为例子，电流每秒可以震荡30亿次，每次耗时大概为0.33纳秒，光在1纳秒里可以前进30cm，也就是说一个CPU周期内，光可以前进10cm。因此如果内存距离CPU超过5cm，就不可能在一个时钟周期内完成数据的读写。这还没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。

原因二：硬件设计不同

苹果公司新推出的iphone5s，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iphone5s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耗能只要增加一点点，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。并且通电后，寄存器的晶体管一直有电，而内存的晶体管只有在用到的才有电，没用到的就没电，这样利于省电。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

寄存器的工作方式只有2步：（1）找到相关的位（2）读取这些位

内存的工作方式就复杂多：

（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讲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（memorycontroller），由于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）内存先送回内存控制器，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。

为了缓解寄存器和内存之间速度的巨大差异，硬件设计师做出了许多努力，包括CPU内部设置缓存，优化CPU工作方式，尽量一次从内存读取指令所要用到的全部数据等等。

内容来源：OFweek维科号

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