CPU、寄存器和内存单元的物理结构

这个问题应该从cpu、寄存器和内存单元的物理结构来看。

图1

上图是一个手画的cpu访问寄存器和内存的简单结构图，从图中我们看到，寄存器是在cpu芯片的内部，内存是在cpu的外部。仅此一点，我们就可以理解为什么cpu访问寄存器的速度比内存要快。

为了进一步加深对这个问题的理解，参考图2和图3：

图2

图2是cpu内部结构图。从图中可以看到，要执行的指令、执行指令的电路部分以及ALU和寄存器是通过总线直接连在一起的。

图3

从图3可以看出，存储器处于cpu的外部，cpu要对存储单元进行访问，就必须通过地址总线。这里的寄存器是指R0,R1等。

图4

图4是一个简单的寄存器电路。

图5

我们知道，一个内存地址分为段地址和偏移地址，两者相加才会形成一个实际的物理地址，这部分由专门的电路完成，如图5，这个电路也处于cpu的内部，但它产生的物理地址必须输出到cpu外部的地址译码器。

图6

图6是一块内存电路，包括地址译码器和内存电路。

图7

图7是上面几部分的连接示意图。图下面的译码器代表指令执行电路，左上角是寄存器，上部中间是内存地址形成电路，这三部分都在cpu芯片的内部。右上角蓝色部分是地址译码器和内存电路，两者处于cpu的外部。

假设一条指令的机器码由下部译码器的输入端A0,A1,A2等引脚输入，由此可以明显看出，如果这条指令中分别用到了寄存器和内存单元，两者的访问速度肯定存在着明显的差别。