1. 寄存器是中央處理器內的組成部份。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、數據和位址。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)和程序計數器(PC)。在中央處理器的算術及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。
2. 內存包含的範圍非常廣，一般分為只讀存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM）和高速緩存存儲器（cache）。

3. 寄存器是CPU內部的元件，寄存器擁有非常高的讀寫速度，所以在寄存器之間的數據傳送非常快。
4. Cache ：即高速緩沖存儲器，是位於CPU與主內存間的一種容量較小但速度很高的存儲器。由於CPU的速度遠高於主內存，CPU直接從內存中存取數據要等待一定時間周期，Cache中保存著CPU剛用過或循環使用的一部分數據

總結：大致來說數據是通過內存-Cache-寄存器，Cache緩存則是為了彌補CPU與內存之間運算速度的差異而設置的的部件。

http://blog.csdn.net/csuyishuan/article/details/52073421

首先看一下計算機的存儲體系（Memory hierarchy）金字塔

其次我們看看一個計算機的存儲體系

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寄存器是CPU的內部組成單元,是CPU運算時取指令和數據的地方，速度很快，寄存器可以用來暫存指令、數據和地址。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，如程序計數器PC、sp等。

Cache

緩存即就是用於暫時存放內存中的數據，若果寄存器要取內存中的一部分數據時，可直接從緩存中取到，這樣可以調高速度。高速緩存是內存的部分拷貝。

CPU <--- > 寄存器<--- > 緩存<--- >內存

寄存器的工作方式很簡單，只有兩步：（1）找到相關的位，（2）讀取這些位。

內存的工作方式就要復雜得多：

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

（2）將指針送往內存管理單元（MMU），由MMU將虛擬的內存地址翻譯成實際的物理地址。

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

（4）確定數據在哪一個內存塊（chunk）上，從該塊讀取數據。

（5）數據先送回內存控制器，再送回CPU，然後開始使用。

內存的工作流程比寄存器多出許多步。每一步都會產生延遲，累積起來就使得內存比寄存器慢得多。

為了緩解寄存器與內存之間的巨大速度差異，硬件設計師做出了許多努力，包括在CPU內部設置緩存、優化CPU工作方式，盡量一次性從內存讀取指令所要用到的全部數據等等。

RAM-memory

即內存，是用於存放數據的單元。其作用是用於暫時存放CPU中的運算數據，以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。

HardDisk

硬盤

作者：時國懷
鏈接：http://www.zhihu.com/question/20075426/answer/16354329
來源：知乎
著作權歸作者所有，轉載請聯系作者獲得授權。

一條匯編指令大概執行過程是（不是絕對的，不同平臺有差異）：

取指（取指令）、譯碼（把指令轉換成微指令）、取數（讀內存裏的操作數）、計算（各種計算的過程，ALU負責）、寫回（將計算結果寫回內存），有些平臺裏，前兩步會合並成一步，某些指令也不會有取數或者回寫的過程。

再提一下CPU主頻的概念：首先，主頻絕對不等於一秒鐘可以執行的指令個數，每個指令的執行成本是不同的，比如x86平臺裏匯編指令INC就比ADD要快，具體每個指令的時鐘周期可以參考intel的手冊。

為什麽要提主頻？因為上面的執行過程中，每個操作都需要占用一個時鐘周期，對於一個操作內存的加法，就需要5個時鐘周期，換句話說，500Mhz主頻的CPU，最多執行100MHz條指令。

仔細觀察，上面的步驟裏不包括寄存器操作，對於CPU來說讀/寫寄存器是不需要時間的，或者說如果只是操作寄存器（比如類似mov BX,AX之類的操作），那麽一秒鐘執行的指令個數理論上說就等於主頻，因為寄存器是CPU的一部分。

然後寄存器往下就是各級的cache，有L1 cache，L2，甚至有L3的，以及TLB這些（TLB也可以認為是cache），之後就是內存，前面說寄存器快，現在說為什麽這些慢：

對於各級的cache，訪問速度是不同的，理論上說L1cache（一級緩存）有著跟CPU寄存器相同的速度，但L1cache有一個問題，當需要同步cache和內存之間的內容時，需要鎖住cache的某一塊（術語是cache line），然後再進行cache或者內存內容的更新，這段期間這個cache塊是不能被訪問的，所以L1cache的速度就沒寄存器快，因為它會頻繁的有一段時間不可用。

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，並且L2比L1慢，L3比L2慢，這樣速度也就更低了。

最後說說內存，內存的主頻現在主流是1333左右吧？或者1600，單位是MHz，這比CPU的速度要低的多，所以內存的速度起點就更低，然後內存跟CPU之間通信也不是想要什麽就要什麽的。

內存不僅僅要跟CPU通信，還要通過DMA控制器與其它硬件通信，CPU要發起一次內存請求，先要給一個信號說“我要訪問數據了，你忙不忙？”如果此時內存忙，則通信需要等待，不忙的時候，通信才能正常。並且，這個請求信號的時間代價，就是夠執行幾個匯編指令了，所以，這是內存慢的一個原因。

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

以上兩條加起來導致了CPU訪問內存更慢，比cache還慢。

舉個更容易懂的例子：

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的某個值，需要1-3步（或者更多）：把某某cache行鎖住，把某個數據拿來，解鎖，如果沒鎖住就慢了。
CPU要取L2 cache的某個值，先要到L1 cache裏取，L1說，我沒有，在L2裏，L2開始加鎖，加鎖以後，把L2裏的數據復制到L1，再執行讀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復制到L2，從L2復制到L1，從L1到CPU。
CPU取內存則最復雜：通知內存控制器占用總線帶寬，通知內存加鎖，發起內存讀請求，等待回應，回應數據保存到L3（如果沒有就到L2），再從L3/2到L1，再從L1到CPU，之後解除總線鎖定。

磁盤緩存和內存緩存的區別

內存緩存

高速緩存（英語：cache，英語發音：/k??/ kash [1][2][3]，簡稱緩存），其原始意義是指訪問速度比一般隨機存取存儲器（RAM）快的一種RAM，通常它不像系統主存那樣使用DRAM技術，而使用昂貴但較快速的SRAM技術。

原理
Cache一詞來源於1967年的一篇電子工程期刊論文。其作者將法語詞“cache”賦予“safekeeping storage”的涵義，用於電腦工程領域。

當CPU處理數據時，它會先到Cache中去尋找，如果數據因之前的操作已經讀取而被暫存其中，就不需要再從隨機存取存儲器（Main memory）中讀取數據——由於CPU的運行速度一般比主內存的讀取速度快，主存儲器周期（訪問主存儲器所需要的時間）為數個時鐘周期。因此若要訪問主內存的話，就必須等待數個CPU周期從而造成浪費。

提供“緩存”的目的是為了讓數據訪問的速度適應CPU的處理速度，其基於的原理是內存中“程序執行與數據訪問的局域性行為”，即一定程序執行時間和空間內，被訪問的代碼集中於一部分。為了充分發揮緩存的作用，不僅依靠“暫存剛剛訪問過的數據”，還要使用硬件實現的指令預測與數據預取技術——盡可能把將要使用的數據預先從內存中取到緩存裏。

CPU的緩存曾經是用在超級計算機上的一種高級技術，不過現今電腦上使用的的AMD或Intel微處理器都在芯片內部集成了大小不等的數據緩存和指令緩存，通稱為L1緩存（L1 Cache即Level 1 On-die Cache，第一級片上高速緩沖存儲器）；而比L1更大容量的L2緩存曾經被放在CPU外部（主板或者CPU接口卡上），但是現在已經成為CPU內部的標準組件；更昂貴的CPU會配備比L2緩存還要大的L3緩存（level 3 On-die Cache第三級高速緩沖存儲器）。

概念的擴充
如今緩存的概念已被擴充，不僅在CPU和主內存之間有Cache，而且在內存和硬盤之間也有Cache（磁盤緩存），乃至在硬盤與網絡之間也有某種意義上的Cache──稱為Internet臨時文件夾或網絡內容緩存等。凡是位於速度相差較大的兩種硬件之間，用於協調兩者數據傳輸速度差異的結構，均可稱之為Cache。

地址鏡像與變換
主條目：CPU緩存#組相聯
由於主存容量遠大於CPU緩存的容量，因此兩者之間就必須按一定的規則對應起來。地址鏡像就是指按某種規則把主存塊裝入緩存中。地址變換是指當按某種鏡像方式把主存塊裝入緩存後，每次訪問CPU緩存時，如何把主存的物理地址（Physical address）或虛擬地址（Virtual address）變換成CPU緩存的地址，從而訪問其中的數據。

緩存置換策略
主條目：CPU緩存#置換策略、分頁和緩存文件置換機制
主存容量遠大於CPU緩存，磁盤容量遠大於主存，因此無論是哪一層次的緩存都面臨一個同樣的問題：當容量有限的緩存的空閑空間全部用完後，又有新的內容需要添加進緩存時，如何挑選並舍棄原有的部分內容，從而騰出空間放入這些新的內容。解決這個問題的算法有幾種，如最久未使用算法（LRU）、先進先出算法（FIFO）、最近最少使用算法（LFU）、非最近使用算法（NMRU）等，這些算法在不同層次的緩存上執行時擁有不同的效率和代價，需根據具體場合選擇最合適的一種。

磁盤緩存

磁盤緩存

16MB緩沖區的硬盤
磁盤緩存（Disk Buffer）或磁盤快取（Disk Cache）實際上是將下載到的數據先保存於系統為軟件分配的內存空間中（這個內存空間被稱之為“內存池”），當保存到內存池中的數據達到一個程度時，便將數據保存到硬盤中。這樣可以減少實際的磁盤操作，有效的保護磁盤免於重復的讀寫操作而導致的損壞。

磁盤緩存是為了減少CPU透過I/O讀取磁盤機的次數，提升磁盤I/O的效率，用一塊內存來儲存存取較頻繁的磁盤內容；因為內存的存取是電子動作，而磁盤的存取是I/O動作，感覺上磁盤I/O變得較為快速。

相同的技巧可用在寫入動作，我們先將欲寫入的內容放入內存中，等到系統有其它空閑的時間，再將這塊內存的資料寫入磁盤中。

大小
現在的磁盤通常有32MB或64MB緩存。舊的硬盤則有8MB或16MB。

內存，寄存器和cache的區別與聯系