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寄存器与内存的区别和特点解析

2021-01-21 16:58
造始于智
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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。
责任编辑:YYX

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