网站设计深圳哪家强?,怎么恢复网站数据库,90平方装修价格明细,在百度阿里建个网站多少钱目录 课程内容一、冯诺依曼计算机模型详解1.计算机五大核心组成部分2.CPU内部结构3.CPU缓存结构4.CPU读取存储器数据过程5.CPU为何要有高速缓存 学习总结 课程内容
一、冯诺依曼计算机模型详解
现代计算机模型是基于-冯诺依曼计算机模型 计算机在运行时#xff0c;先从内存中… 目录 课程内容一、冯诺依曼计算机模型详解1.计算机五大核心组成部分2.CPU内部结构3.CPU缓存结构4.CPU读取存储器数据过程5.CPU为何要有高速缓存 学习总结 课程内容
一、冯诺依曼计算机模型详解
现代计算机模型是基于-冯诺依曼计算机模型 计算机在运行时先从内存中取出第一条指令通过控制器的译码按指令的要求从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工然后再按地址把结果送到内存中去。接下来再取出第二条指令在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。 程序与数据一样存贮按程序编排的顺序一步一步地取出指令自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作模型。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的故称为冯.诺依曼计算机模型。
1.计算机五大核心组成部分
控制器(Control)是整个计算机的中枢神经其功能是对程序规定的控制信息进行解释根据其要求进行控制调度程序、数据、地址协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。运算器(Datapath)运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算即对数据进行加工处理。存储器(Memory)存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息并在需要时提供这些信息。输入(Input system)输入设备是计算机的重要组成部分输入设备与输出设备合你为外部设备简称外设输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。输出(Output system)输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。
下图-冯诺依曼计算机模型图 但是上面的图形属于一种抽象理论模型它的具体应用就是现代计算机当中的硬件结构设计如下 在上图硬件结构当中配件很多但最核心的只有两部分CPU、内存。所以我们重点学习的也是这两部分。
2.CPU内部结构
CPU内部结构有控制单元、运算单元、数据单元他们的作用如下
控制单元控制单元是整个CPU的指挥控制中心由指令寄存器IRInstruction Register、指令译码器IDInstruction Decoder和 操作控制器OCOperation Controller 等组成对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序依次从存储器中取出各条指令放在指令寄存器IR中通过指令译码分析确定应该进行什么操作然后通过操作控制器OC按确定的时序向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑运算单元运算单元是运算器的核心。可以执行算术运算包括加减乘数等基本运算及其附加运算和逻辑运算包括移位、逻辑测试或两个值比较。相对控制单元而言运算器接受控制单元的命令而进行动作即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的所以它是执行部件存储单元存储单元包括 CPU 片内缓存Cache和寄存器组是 CPU 中暂时存放数据的地方里面保存着那些等待处理的数据或已经处理过的数据CPU 访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。 寄存器是CPU内部的元件寄存器拥有非常高的读写速度所以在寄存器之间的数据传送非常快。采用寄存器可以减少 CPU 访问内存的次数从而提高了 CPU 的工作速度。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的分别寄存相应的数据而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。
CPU的内部结构图如下所示
3.CPU缓存结构
现代CPU为了提升执行效率减少CPU与内存的交互(交互影响CPU效率)一般在CPU上集成了多级缓存架构常见的为三级缓存结构
L1 Cache分为数据缓存和指令缓存逻辑核独占L2 Cache物理核独占逻辑核共享L3 Cache所有物理核共享 存储器存储空间大小内存L3L2L1寄存器 存储器速度快慢排序寄存器L1L2L3内存 还有一点值得注意的是缓存是由最小的存储区块-缓存行(cacheline)组成缓存行大小通常为64byte。 缓存行是什么意思呢 比如你的L1缓存大小是512kb而cacheline 64byte那么L1里就有512 * 1024/64个cacheline了就跟Mysql分页结构一样
4.CPU读取存储器数据过程
通常来说CPU读取存储器数据过程如下
CPU要取寄存器X的值只需要一步直接读取CPU要取L1 cache的某个值需要1-3步或者更多把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当中不存在在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CPUCPU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。 是不是挺复杂的那么为什么要这么设计呢
5.CPU为何要有高速缓存
主要是因为CPU在摩尔定律的指导下以每18个月翻一番的速度在发展然而内存和硬盘的发展速度远远不及CPU。这就造成了高性能能的内存和硬盘价格及其昂贵。然而CPU的高度运算需要高速的数据。为了解决这个问题CPU厂商在CPU中内置了少量的高速缓存以解决I\O速度和CPU运算速度之间的不匹配问题。 在CPU访问存储设备时无论是存取数据抑或存取指令都趋于聚集在一片连续的区域中就跟Mysql分页结构一样这就被称为局部性原理有以下两种
时间局部性Temporal Locality如果一个信息项正在被访问那么在近期它很可能还会被再次访问CPU会这么想。比如循环、递归、方法的反复调用等空间局部性Spatial Locality如果一个存储器的位置被引用那么将来他附近的位置也会被引用CPU会这么想。比如顺序执行的代码、连续创建的两个对象、数组等。
学习总结
学习了一些计算机系统模型学习了CPU三级缓存结构
