寄存器（Cache）是CPU內(nèi)部集成的，內(nèi)存是掛在CPU外面的數(shù)據(jù)總線上的，訪問內(nèi)存時(shí)要在CPU的寄存器（Cache）填上地址，再執(zhí)行相應(yīng)的匯編指令，這時(shí)CPU會(huì)在數(shù)據(jù)總線上生成讀取或?qū)懭雰?nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)，最終內(nèi)存的內(nèi)容會(huì)被CPU寄存器（Cache）的內(nèi)容更新（寫入）或者被讀入CPU的寄存器（Cache）（讀?。?。如圖：

　　CPU、內(nèi)存、寄存器之間的關(guān)系cpu 取址 -》地址輸入地址寄存器 -》 緩存命中即，則數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器 -》 緩存未命中則進(jìn)入內(nèi)存 -》 內(nèi)存TLB快表命中則數(shù)據(jù)塊進(jìn)入緩存，數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器 -》 內(nèi)存TLB快表未命中則局部數(shù)據(jù)塊進(jìn)入緩存和快表 -》 內(nèi)存未命中則進(jìn)入硬盤虛擬存儲(chǔ)區(qū)

　　CPU里的寄存器

　　其實(shí)就是我們常說的：Cache，有1級(jí) 和 2級(jí)，（L1，L2）L1容量比較小，L2（集成在主板上，說使用的為靜態(tài)RAM）會(huì)多一些，L1是集成在CPU內(nèi)部的寄存器（L1與CPU 同步），訪問它速度自然很快，但容量比較小，L1 64K L2現(xiàn)在最高的就2MB，這顯然是不夠的，所以我們都需要擴(kuò)展它，內(nèi)存（DDR RAM）就是擴(kuò)展的“寄存器”，它的訪問速度就比 Cache 速度慢！CPU 在運(yùn)行某計(jì)算時(shí)，它會(huì)把使用頻率高的數(shù)據(jù)放到L1，L2，把不常用的數(shù)據(jù)保存在RAM中，需要訪問的時(shí)候再讀入Cache，當(dāng)然相比之下硬盤的速度就更低。

　　計(jì)算機(jī)中內(nèi)存、cache和寄存器之間的關(guān)系

　　寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部份。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計(jì)數(shù)器（PC）。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。

　　內(nèi)存包含的范圍非常廣，一般分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和高速緩存存儲(chǔ)器（cache）。

　　寄存器是CPU內(nèi)部的元件，寄存器擁有非常高的讀寫速度，所以在寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送非?？臁?/p>

　　Cache ：即高速緩沖存儲(chǔ)器，是位于CPU與主內(nèi)存間的一種容量較小但速度很高的存儲(chǔ)器。由于CPU的速度遠(yuǎn)高于主內(nèi)存，CPU直接從內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)要等待一定時(shí)間周期，Cache中保存著CPU剛用過或循環(huán)使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)CPU再次使用該部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)可從Cache中直接調(diào)用，這樣就減少了CPU的等待時(shí)間，提高了系統(tǒng)的效率。Cache又分為一級(jí)Cache（L1

　　Cache）和二級(jí)Cache（L2 Cache），L1 Cache集成在CPU內(nèi)部，L2 Cache早期一般是焊在主板上，現(xiàn)在也都集成在CPU內(nèi)部，常見的容量有256KB或512KB L2 Cache。

　　總結(jié)：大致來說數(shù)據(jù)是通過內(nèi)存-Cache-寄存器，Cache緩存則是為了彌補(bǔ)CPU與內(nèi)存之間運(yùn)算速度的差異而設(shè)置的的部件。

　　首先看一下計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系（Memory hierarchy）金字塔：

　　其次我們看看一個(gè)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系

　　Register

　　寄存器是CPU的內(nèi)部組成單元，是CPU運(yùn)算時(shí)取指令和數(shù)據(jù)的地方，速度很快，寄存器可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。在CPU中，通常有通用寄存器，如指令寄存器IR；特殊功能寄存器，如程序計(jì)數(shù)器PC、sp等。

　　Cache

　　緩存即就是用于暫時(shí)存放內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，若果寄存器要取內(nèi)存中的一部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，可直接從緩存中取到，這樣可以調(diào)高速度。高速緩存是內(nèi)存的部分拷貝。

　　CPU 《--- 》 寄存器《--- 》 緩存《--- 》內(nèi)存

　　寄存器的工作方式很簡(jiǎn)單，只有兩步：（1）找到相關(guān)的位，（2）讀取這些位。

　　內(nèi)存的工作方式就要復(fù)雜得多：

　　（1）找到數(shù)據(jù)的指針。（指針可能存放在寄存器內(nèi)，所以這一步就已經(jīng)包括寄存器的全部工作了。）

　?。?）將指針?biāo)屯鶅?nèi)存管理單元（MMU），由MMU將虛擬的內(nèi)存地址翻譯成實(shí)際的物理地址。

　?。?）將物理地址送往內(nèi)存控制器（memory controller），由內(nèi)存控制器找出該地址在哪一根內(nèi)存插槽（bank）上。

　　（4）確定數(shù)據(jù)在哪一個(gè)內(nèi)存塊（chunk）上，從該塊讀取數(shù)據(jù)。

　　（5）數(shù)據(jù)先送回內(nèi)存控制器，再送回CPU，然后開始使用。

　　內(nèi)存的工作流程比寄存器多出許多步。每一步都會(huì)產(chǎn)生延遲，累積起來就使得內(nèi)存比寄存器慢得多。

　　為了緩解寄存器與內(nèi)存之間的巨大速度差異，硬件設(shè)計(jì)師做出了許多努力，包括在CPU內(nèi)部設(shè)置緩存、優(yōu)化CPU工作方式，盡量一次性從內(nèi)存讀取指令所要用到的全部數(shù)據(jù)等等。

　　RAM-memory

　　即內(nèi)存，是用于存放數(shù)據(jù)的單元。其作用是用于暫時(shí)存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤等外部存儲(chǔ)器交換的數(shù)據(jù)。

　　HardDisk

　　硬盤

　　一條匯編指令大概執(zhí)行過程是（不是絕對(duì)的，不同平臺(tái)有差異）：

　　取指（取指令）、譯碼（把指令轉(zhuǎn)換成微指令）、取數(shù)（讀內(nèi)存里的操作數(shù)）、計(jì)算（各種計(jì)算的過程，ALU負(fù)責(zé)）、寫回（將計(jì)算結(jié)果寫回內(nèi)存），有些平臺(tái)里，前兩步會(huì)合并成一步，某些指令也不會(huì)有取數(shù)或者回寫的過程。

　　再提一下CPU主頻的概念：首先，主頻絕對(duì)不等于一秒鐘可以執(zhí)行的指令個(gè)數(shù)，每個(gè)指令的執(zhí)行成本是不同的，比如x86平臺(tái)里匯編指令I(lǐng)NC就比ADD要快，具體每個(gè)指令的時(shí)鐘周期可以參考intel的手冊(cè)。

　　為什么要提主頻？因?yàn)樯厦娴膱?zhí)行過程中，每個(gè)操作都需要占用一個(gè)時(shí)鐘周期，對(duì)于一個(gè)操作內(nèi)存的加法，就需要5個(gè)時(shí)鐘周期，換句話說，500Mhz主頻的CPU，最多執(zhí)行100MHz條指令。

　　仔細(xì)觀察，上面的步驟里不包括寄存器操作，對(duì)于CPU來說讀/寫寄存器是不需要時(shí)間的，或者說如果只是操作寄存器（比如類似mov BX，AX之類的操作），那么一秒鐘執(zhí)行的指令個(gè)數(shù)理論上說就等于主頻，因?yàn)榧拇嫫魇荂PU的一部分。

　　然后寄存器往下就是各級(jí)的cache，有L1 cache，L2，甚至有L3的，以及TLB這些（TLB也可以認(rèn)為是cache），之后就是內(nèi)存，前面說寄存器快，現(xiàn)在說為什么這些慢：

　　對(duì)于各級(jí)的cache，訪問速度是不同的，理論上說L1cache（一級(jí)緩存）有著跟CPU寄存器相同的速度，但L1cache有一個(gè)問題，當(dāng)需要同步cache和內(nèi)存之間的內(nèi)容時(shí)，需要鎖住cache的某一塊（術(shù)語是cache line），然后再進(jìn)行cache或者內(nèi)存內(nèi)容的更新，這段期間這個(gè)cache塊是不能被訪問的，所以L1cache的速度就沒寄存器快，因?yàn)樗鼤?huì)頻繁的有一段時(shí)間不可用。

　　L1 cache下面是L2 cache，甚至L3 cache，這些都有跟L1 cache一樣的問題，要加鎖，同步，并且L2比L1慢，L3比L2慢，這樣速度也就更低了。

　　最后說說內(nèi)存，內(nèi)存的主頻現(xiàn)在主流是1333左右吧？或者1600，單位是MHz，這比CPU的速度要低的多，所以內(nèi)存的速度起點(diǎn)就更低，然后內(nèi)存跟CPU之間通信也不是想要什么就要什么的。

　　內(nèi)存不僅僅要跟CPU通信，還要通過DMA控制器與其它硬件通信，CPU要發(fā)起一次內(nèi)存請(qǐng)求，先要給一個(gè)信號(hào)說“我要訪問數(shù)據(jù)了，你忙不忙？”如果此時(shí)內(nèi)存忙，則通信需要等待，不忙的時(shí)候，通信才能正常。并且，這個(gè)請(qǐng)求信號(hào)的時(shí)間代價(jià)，就是夠執(zhí)行幾個(gè)匯編指令了，所以，這是內(nèi)存慢的一個(gè)原因。

　　另一個(gè)原因是：內(nèi)存跟CPU之間通信的通道也是有限的，就是所謂的“總線帶寬”，但，要記住這個(gè)帶寬不僅僅是留給內(nèi)存的，還包括顯存之類的各種通信都要走這條路，并且由于路是共享的，所以任何請(qǐng)求發(fā)起之間都要先搶占，搶占帶寬需要時(shí)間，帶寬不夠等待的話也需要時(shí)間。

　　以上兩條加起來導(dǎo)致了CPU訪問內(nèi)存更慢，比cache還慢。

　　舉個(gè)更容易懂的例子：

　　CPU要取寄存器AX的值，只需要一步：把AX給我拿來，AX就拿來了。

　　CPU要取L1 cache的某個(gè)值，需要1-3步（或者更多）：把某某cache行鎖住，把某個(gè)數(shù)據(jù)拿來，解鎖，如果沒鎖住就慢了。

　　CPU要取L2 cache的某個(gè)值，先要到L1 cache里取，L1說，我沒有，在L2里，L2開始加鎖，加鎖以后，把L2里的數(shù)據(jù)復(fù)制到L1，再執(zhí)行讀L1的過程，上面的3步，再解鎖。

　　CPU取L3 cache的也是一樣，只不過先由L3復(fù)制到L2，從L2復(fù)制到L1，從L1到CPU。

　　CPU取內(nèi)存則最復(fù)雜：通知內(nèi)存控制器占用總線帶寬，通知內(nèi)存加鎖，發(fā)起內(nèi)存讀請(qǐng)求，等待回應(yīng)，回應(yīng)數(shù)據(jù)保存到L3（如果沒有就到L2），再從L3/2到L1，再從L1到CPU，之后解除總線鎖定。