寄存器比内存快的原理是什么？
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（0.33纳秒），光可以前进10厘米。
涛声依旧注：每次震荡的耗时也就是cpu的时钟周期，时钟周期为震荡频率的倒数。
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。
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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。
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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。
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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。
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（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。
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