計算機的存儲層次(memory hierarchy)之中,寄存器(register)最快,內存其次,最慢的是硬碟。
同樣都是晶體管存儲設備,為什麼寄存器比內存快呢?
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。內存離CPU比較遠,所以要耗費更長的時間讀取。
以3GHz的CPU為例,電流每秒鐘可以振蕩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厘米。也就是說,在CPU的一個時鐘周期內,光可以前進10厘米。因此,如果內存距離CPU超過5厘米,就不可能在一個時鐘周期內完成數據的讀取,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,寄存器在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),而且手機的內存緊挨著CPU。
原因二:硬體設計不同
蘋果公司新推出的iPhone 5s,CPU是A7,寄存器有6000多位(31個64位寄存器,加上32個128位寄存器)。而iPhone 5s的內存是1GB,約為80億位(bit)。這意味著,高性能、高成本、高耗電的設計可以用在寄存器上,反正只有6000多位,而不能用在內存上。因為每個位的成本和能耗只要增加一點點,就會被放大80億倍。
事實上確實如此,內存的設計相對簡單,每個位就是一個電容和一個晶體管,而寄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,寄存器的晶體管一直有電,而內存的晶體管只有用到的才有電,沒用到的就沒電,這樣有利於省電。這些設計上的因素,決定了寄存器比內存讀取速度更快。
原因三:工作方式不同
寄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。
內存的工作方式就要複雜得多:
(1)找到數據的指針。(指針可能存放在寄存器內,所以這一步就已經包括寄存器的全部工作了。)(2)將指針送往內存管理單元(MMU),由MMU將虛擬的內存地址翻譯成實際的物理地址。(3)將物理地址送往內存控制器(memory controller),由內存控制器找出該地址在哪一根內存插槽(bank)上。(4)確定數據在哪一個內存塊(chunk)上,從該塊讀取數據。(5)數據先送回內存控制器,再送回CPU,然後開始使用。
(1)找到數據的指針。(指針可能存放在寄存器內,所以這一步就已經包括寄存器的全部工作了。)
內存的工作流程比寄存器多出許多步。每一步都會產生延遲,累積起來就使得內存比寄存器慢得多。
為了緩解寄存器與內存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內部設置緩存、優化CPU工作方式,盡量一次性從內存讀取指令所要用到的全部數據等等。
(完)
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