专栏首页Java架构沉思录同样是晶体管,为什么寄存器比内存快?

同样是晶体管,为什么寄存器比内存快?

作者:阮一峰
原文:http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/10/register.html

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。

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。

本文分享自微信公众号 - Java架构沉思录(code-thinker)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2018-08-06

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

  • JVM性能调优监控工具使用详解

    这些问题在日常开发中可能被很多人忽视(比如有的人遇到上面的问题只是重启服务器或者调大内存,而不会深究问题根源),但能够理解并解决这些问题是Java程序员...

    黄泽杰
  • JVM 线上故障排查基本操作

    对于后端程序员,特别是 Java 程序员来讲,排查线上问题是不可避免的。各种 CPU 飚高,内存溢出,频繁 GC 等等,这些都是令人头疼的问题。楼主同样也遇到过...

    黄泽杰
  • Tomcat 进程意外突崩,元凶居然是它...

    节前某个部门的测试环境反馈tomcat会意外退出,我们到实际环境排查后发现不是jvm crash,日志里有进程销毁的记录,从pause到destory的整个过程...

    黄泽杰
  • 为什么寄存器比内存快?

    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。

    Linux阅码场
  • 为什么寄存器比内存快?

    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。

    帅地
  • 为什么寄存器比内存快?

    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...

    ruanyf
  • 对不起,学会这些知识后我飘了

    我们每个程序员或许都有一个梦,那就是成为大牛,我们或许都沉浸在各种框架中,以为框架就是一切,以为应用层才是最重要的,你错了。在当今计算机行业中,会应用是基本素质...

    cxuan
  • 高级静态分析技能基础:掌握80x86汇编语言1

    掌握黑客技术一大难点就在于你要非常深入计算机技术的底层。绝大多数程序员只愿意在上层应用上花点时间,毕竟他们只想”混饭吃“,任何有志于不断提升技术能力的工程师都必...

    望月从良
  • Mockplus原型交互跟我做之6 - 快速给弹出面板命名

    到这里,我们插入一个有用小技巧的介绍。 在交互设计中,我们经常需要给弹出面板起一个名字,便于查看。 一般的方式,是在属性面板中,通过“名称”来修改。 但...

    奔跑的小鹿
  • Layui-admin-iframe通过页面链接直接在iframe内打开一个新的页面,实现单页面的效果

      使用Layui-admin做后台管理框架有很长的一段时间了,但是一直没有对框架内iframe菜单栏切换跳转做深入的了解。今天有一个这样的需求就是通过获取超链...

    追逐时光

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券