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裸片初长成(初级)

楼主
 

为什么寄存器比内存快? [复制链接]

这个问题很多人都想过,大家能说出一个一二三么?
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。


存储层次

  同样都是晶体管存储设备,为什么寄存器比内存快呢?



晶体管

  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。



A7

  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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受教了  详情 回复 发表于 2013-10-25 17:48

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不错哟,解释的很到位  详情 回复 发表于 2013-10-24 18:13

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个人签名《MCU工程师炼成记》作者之一

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纯净的硅(初级)

沙发
 
寄存器快的原因除了工艺以外还有其读写的命令皆由控制线直接给出。
 
 

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版主

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最重要的是内电路结构和访问方式所致,也就是楼主文中的2和3。
 
个人签名上传了一些书籍资料,也许有你想要的:https://download.eeworld.com.cn/user/chunyang
 
 

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纯净的硅(高级)

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长知识啦
 
 
 

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一粒金砂(初级)

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不错哟,解释的很到位
 
 
 

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一粒金砂(初级)

6
 
长知识了~
 
 
 

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一粒金砂(初级)

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受教了
 
 
 

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