内存层次结构 - 为什么寄存器昂贵？

我明白那个：

Faster访问时间 >More昂贵的

Slower访问时间 >Less昂贵的

我还了解到寄存器是层次结构的顶部，并且具有最快的访问时间。我很难研究的是why这么贵吗？据我所知，寄存器实际上是直接内置于 ALU 中的电路。如果它们确实内置于 CPU（尤其是 ALU）中，那么究竟是什么让它最昂贵呢？

是大小（当然，寄存器是最小的）吗？

寄存器非常非常昂贵，因为它们必须非常非常快，并且需要同时从许多地方访问它们。

例如，如果您有语句 a = a + x; b = b + x; c = c + x;你有三个指令，它们都想读取同一个寄存器。所以寄存器不仅仅是内存。处理器中还需要所有数据路径，以便来自保存 x 的寄存器的相同数据可以同时发送到三个指令。而且数据可以传输到很多很多地方。如果你写 double a = x;并且x是整数，那么必须有一条数据路径将寄存器x发送到浮点单元。或者向量单位。等等。

那么你就会遇到这样的问题：你不仅需要存储数据，还必须确保它可用。如果你写x = y + z; a = a + x;当第一条指令运行时，必须有人跟踪保存 x 的寄存器现在无效，直到存储加法结果，并停止第二条加法运行。那是超级贵的。

因此，构建寄存器不仅仅是添加一点内存，而且需要付费。寄存器对于处理器的速度至关重要，因此需要使用最昂贵、最快的技术来构建它们。