1 .寄存器是中央处理器内的组成部分。 寄存器是存储容量有限的高速存储部件，可以用于暂时保存指令、数据、地址。 在中央处理装置的控制部中包含指令寄存器(IR )和程序计数器) PC )。 中央处理器的运算逻辑部件包括累加器(ACC )。 2 .内存包含的范围非常大，一般分为只读存储器(ROM )、随机访问存储器)、缓存存储器)。
3 .寄存器是CPU内部的元件，寄存器具有非常高的读写速度，所以寄存器之间的数据传输非常快。 4. Cache :即高速缓冲存储器，虽然CPU和主存储器之间的容量小，但是是高速的存储器。 由于CPU比主内存快得多，因此CPU直接从内存访问数据需要一定的时间。 Cache中存储了CPU的部分使用过或重用过的数据，CPU再次使用该数据时可以直接从Cache中调用，从而减少了CPU的等待时间，提高了系统效率。 Cache再分为一级Cache(L1 Cache )和二级Cache ) L2 Cache )，L1cache集成在CPU内部。 L2 Cache初期焊接在主板上，现在也集成在CPU内部，一般容量为256KB或512kb的L2 Cache。
总结：大致来说，数据通过内存-缓存-寄存器，缓存是为了弥补CPU和内存之间运算速度的差异而设置的部件。
首先，让我们来看看计算机存储系统“内存层次”的金字塔
接下来，让我们看看计算机的存储系统
Register
寄存器是CPU的内部组成部分，是CPU运算时获取指令和数据的地方，速度快，寄存器可以用于临时保存指令、数据和地址。 在CPU中，通常有指令寄存器IR这样通用寄存器； 程序计数器PC、sp等特殊功能寄存器。
Cache
缓存是为了暂时保存内存中的数据，如果寄存器想取出内存中的部分数据，可以直接从缓存中取出，从而提高速度。 高速缓存是内存的一部分副本。CPU ---寄存器----高速缓存---内存
的动作很简单，只有两个阶段： (1)找到相关的位，)2)读取这些位。
内存的结构变得更复杂。
)1)找到数据的指针。 (由于指针可能存储在寄存器中，因此此步骤包含了寄存器的所有动作。 ）
)2)将指针发送到存储器管理单元(MMU )，MMU将虚拟的存储器地址翻译为实际的物理地址。
)3)将物理地址发送到存储器控制器(memory controller )，存储器控制器找出该地址在哪个存储器插槽中。
4 )确定数据位于哪个存储器块(chunk )，从该块读取数据。
5 )数据被送回存储器控制器，送回CPU后再开始使用。
内存工作流比寄存器有更多的步骤。 每一步都有延迟，累积起来会比寄存器慢很多。
为了缓和寄存器和内存之间的巨大速度差，硬件设计者做了很多努力，如在CPU内部设置缓存，优化CPU的工作，以及尽可能一次性从内存中读取指令中使用的所有数据等。
RAM-memory
是存储器，是用于存储数据的单元。 其作用是暂时保存CPU内的运算数据，或与硬盘等外部存储器进行交换的数据。
HardDisk
硬盘作者：时国怀链接： http://www.zhi Hu.com/question/20075426/answer/16354329来源：知乎著作权归作者所有，转载请联系作者获得授权。
一个汇编指令的大致执行过程是“不是绝对的，因平台而异”。 指(取指令(、解码)、将指令转换为微指令)、读取)、读取存储器中的操作数、计算)、写回)，计算结果写回存储器)，根据平台的不同，前两个阶段有首先，时钟绝对不等于每秒可以执行的指令数。 每个指令的执行成本不同。 例如，在x86平台上，汇编指令INC比ADD快。 具体各指令的时钟周期请参考intel的手册。 为什么要提高主频率？ 上述执行中，各操作需要时钟周期，因此1个操作内存的加法运算需要5个时钟周期。 换言之，500Mhz主频的CPU最多执行100MHz的指令。 请仔细观察。 上述步骤不包括寄存器操作。 对CPU来说
说读/写寄存器是不需要时间的，或者说如果只是操作寄存器（比如类似mov BX,AX之类的操作），那么一秒钟执行的指令个数理论上说就等于主频，因为寄存器是CPU的一部分。然后寄存器往下就是各级的cache，有L1 cache，L2，甚至有L3的，以及TLB这些（TLB也可以认为是cache），之后就是内存，前面说寄存器快，现在说为什么这些慢：对于各级的cache，访问速度是不同的，理论上说L1cache（一级缓存）有着跟CPU寄存器相同的速度，但L1cache有一个问题，当需要同步cache和内存之间的内容时，需要锁住cache的某一块（术语是cache line），然后再进行cache或者内存内容的更新，这段期间这个cache块是不能被访问的，所以L1cache的速度就没寄存器快，因为它会频繁的有一段时间不可用。L1 cache下面是L2 cache，甚至L3 cache，这些都有跟L1 cache一样的问题，要加锁，同步，并且L2比L1慢，L3比L2慢，这样速度也就更低了。最后说说内存，内存的主频现在主流是1333左右吧？或者1600，单位是MHz，这比CPU的速度要低的多，所以内存的速度起点就更低，然后内存跟CPU之间通信也不是想要什么就要什么的。内存不仅仅要跟CPU通信，还要通过DMA控制器与其它硬件通信，CPU要发起一次内存请求，先要给一个信号说“我要访问数据了，你忙不忙？”如果此时内存忙，则通信需要等待，不忙的时候，通信才能正常。并且，这个请求信号的时间代价，就是够执行几个汇编指令了，所以，这是内存慢的一个原因。另一个原因是：内存跟CPU之间通信的通道也是有限的，就是所谓的“总线带宽”，但，要记住这个带宽不仅仅是留给内存的，还包括显存之类的各种通信都要走这条路，并且由于路是共享的，所以任何请求发起之间都要先抢占，抢占带宽需要时间，带宽不够等待的话也需要时间。以上两条加起来导致了CPU访问内存更慢，比cache还慢。举个更容易懂的例子：CPU要取寄存器AX的值，只需要一步：把AX给我拿来，AX就拿来了。CPU要取L1 cache的某个值，需要1-3步（或者更多）：把某某cache行锁住，把某个数据拿来，解锁，如果没锁住就慢了。CPU要取L2 cache的某个值，先要到L1 cache里取，L1说，我没有，在L2里，L2开始加锁，加锁以后，把L2里的数据复制到L1，再执行读L1的过程，上面的3步，再解锁。CPU取L3 cache的也是一样，只不过先由L3复制到L2，从L2复制到L1，从L1到CPU。CPU取内存则最复杂：通知内存控制器占用总线带宽，通知内存加锁，发起内存读请求，等待回应，回应数据保存到L3（如果没有就到L2），再从L3/2到L1，再从L1到CPU，之后解除总线锁定。磁盘缓存和内存缓存的区别
内存缓存
高速缓存（英语：cache，英语发音：/kæʃ/ kash [1][2][3]，简称缓存），其原始意义是指访问速度比一般随机存取存储器（RAM）快的一种RAM，通常它不像系统主存那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术。
原理 Cache一词来源于1967年的一篇电子工程期刊论文。其作者将法语词“cache”赋予“safekeeping storage”的涵义，用于电脑工程领域。
当CPU处理数据时，它会先到Cache中去寻找，如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从随机存取存储器（Main memory）中读取数据——由于CPU的运行速度一般比主内存的读取速度快，主存储器周期（访问主存储器所需要的时间）为数个时钟周期。因此若要访问主内存的话，就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。
提供“缓存”的目的是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度，其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”，即一定程序执行时间和空间内，被访问的代码集中于一部分。为了充分发挥缓存的作用，不仅依靠“暂存刚刚访问过的数据”，还要使用硬件实现的指令预测与数据预取技术——尽可能把将要使用的数据预先从内存中取到缓存里。
CPU的缓存曾经是用在超级计算机上的一种高级技术，不过现今电脑上使用的的AMD或Intel微处理器都在芯片内部集成了大小不等的数据缓存和指令缓存，通称为L1缓存（L1 Cache即Level 1 On-die Cache，第一级片上高速缓冲存储器）；而比L1更大容量的L2缓存曾经被放在CPU外部（主板或者CPU接口卡上），但是现在已经成为CPU内部的标准组件；更昂贵的CPU会配备比L2缓存还要大的L3缓存（level 3 On-die Cache第三级高速缓冲存储器）。
概念的扩充 如今缓存的概念已被扩充，不仅在CPU和主内存之间有Cache，而且在内存和硬盘之间也有Cache（磁盘缓存），乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的Cache──称为Internet临时文件夹或网络内容缓存等。凡是位于速度相差较大的两种硬件之间，用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为Cache。
地址镜像与变换 主条目：CPU缓存#组相联 由于主存容量远大于CPU缓存的容量，因此两者之间就必须按一定的规则对应起来。地址镜像就是指按某种规则把主存块装入缓存中。地址变换是指当按某种镜像方式把主存块装入缓存后，每次访问CPU缓存时，如何把主存的物理地址（Physical address）或虚拟地址（Virtual address）变换成CPU缓存的地址，从而访问其中的数据。
缓存置换策略 主条目：CPU缓存#置换策略、分页和缓存文件置换机制 主存容量远大于CPU缓存，磁盘容量远大于主存，因此无论是哪一层次的缓存都面临一个同样的问题：当容量有限的缓存的空闲空间全部用完后，又有新的内容需要添加进缓存时，如何挑选并舍弃原有的部分内容，从而腾出空间放入这些新的内容。解决这个问题的算法有几种，如最久未使用算法（LRU）、先进先出算法（FIFO）、最近最少使用算法（LFU）、非最近使用算法（NMRU）等，这些算法在不同层次的缓存上执行时拥有不同的效率和代价，需根据具体场合选择最合适的一种。
磁盘缓存
磁盘缓存
16MB缓冲区的硬盘 磁盘缓存（Disk Buffer）或磁盘快取（Disk Cache）实际上是将下载到的数据先保存于系统为软件分配的内存空间中（这个内存空间被称之为“内存池”），当保存到内存池中的数据达到一个程度时，便将数据保存到硬盘中。这样可以减少实际的磁盘操作，有效的保护磁盘免于重复的读写操作而导致的损坏。
磁盘缓存是为了减少CPU透过I/O读取磁盘机的次数，提升磁盘I/O的效率，用一块内存来储存存取较频繁的磁盘内容；因为内存的存取是电子动作，而磁盘的存取是I/O动作，感觉上磁盘I/O变得较为快速。
相同的技巧可用在写入动作，我们先将欲写入的内容放入内存中，等到系统有其它空闲的时间，再将这块内存的资料写入磁盘中。
大小 现在的磁盘通常有32MB或64MB缓存。旧的硬盘则有8MB或16MB。