【原創】存儲程序與馮諾依曼型計算機


在沒有存儲程序以前的計算機——ENIAC

     ENIAC長30.48米,寬1米,高2.4米,占地面積約170平方米,30個操作台,重達30英噸,耗電量150千瓦,造價48萬美元。它包含了17,468根真空管7,200根水晶二極管,1,500 個中轉,70,000個電阻器,10,000個電容器,1500個繼電器,6000多個開關,每秒執行5000次加法或400次乘法,是繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。
     原本的ENIAC存在兩個問題沒有存儲器且它用布線接板進行控制 它的存儲容量極小,只能存儲20個字長的10位十進制數,所以只能用線路連接的方法編排程序,每次解題都要依靠人工來改變線路 甚至要搭接幾天,計算速度也就被這一工作抵消了。
 
一個新時代的開始——存儲程序的提出
    目前的大多數計算機都是馮諾依曼型計算機,符合存儲程序概念的計算機,都具有以下3個特點:
(1)計算機硬件應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備5大基本類型部件組成。
(2)計算機內部采用二進制來表示指令和數據。
(3)將編好的程序和原始數據先存入存儲器中,然后再啟動計算機工作,這就是存儲程序的基本含義。
 

 
計算機的主要部件
    計算機的5大基本部件—— 運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備。
(1) 輸入設備
    輸入設備的任務就是把人們編好的程序和數據送到計算機去,並且將它們轉換成計算機內部所能識別和接受的信息方式。
(2)輸出設備
    輸出設備的任務就是將計算機的處理結果以數字、文字圖形、圖像、聲音等形式輸出計算機。
(3)存儲器
    存儲器是用來存放程序和數據的部件,是計算機能夠實現存儲程序控制的基礎。 分級的存儲系統:
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    主存儲器:我們一般所稱的內存,便是主存儲器,可由CPU直接訪問,存儲速度快,但容量較小,一般用來存放當前正在執行的程序的程序和數據。
    輔助存儲器:現在的硬盤等都是輔助存儲器,這類存儲器設置在主機外部(這里的主機指的是CPU加上主存儲器),存儲容量大,價格低,但是存儲速度最慢,一般用來存儲暫時不參與運行的程序和數據。CPU不可以直接訪問輔存,程序和數據在需要時才傳送到主存。
    高速緩沖存儲器:CPU的速度還是遠高於主存的存儲速度的(現在較高的DDR3 1600MHz內存條和較高CPU的主頻是3.3GHz),所以又在主存和CPU之間增設了高速緩沖存儲器,Cache的存取速度比主存快,但比主存更小,價格更貴,用來存放當前最急需處理的程序和數據,以便快速地向CPU提供指令和數據。
 
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(4)運算器
    運算器的任務是對信息進行處理和運算的部件,簡而言之,就是執行算術運算和邏輯運算,所以又稱算術邏輯運算部件,ALU。
    核心是加法器,運算器中還有若干個通用寄存器或累加寄存器。注意:寄存器的存取速度比存儲器的速度快得多。
(5)控制器
    控制器主要工作就是取指令、翻譯指令,控制計算機各部分執行指令所規定的任務
 
關於高速緩存的詳細內容參考一下內容:
    L1 Cache(一級緩存)是CPU第一層高速緩存,分為數據緩存和指令緩存。內置的L1高速緩存的容量和結構對CPU的性能影響較大,不過高速緩沖存儲器均由靜態RAM組成,結構較復雜,在CPU管芯面積不能太大的情況下,L1級高速緩存的容量不可能做得太大。一般服務器CPU的L1緩存的容量通常在32—4096KB。
    L2  由於L1級高速緩存容量的限制,為了再次提高CPU的運算速度,在CPU外部放置一高速存儲器,即二級緩存。工作主頻比較靈活,可與CPU同頻,也可不同。CPU在讀取數據時,先在L1中尋找,再從L2尋找,然后是內存,在后是外存儲器。所以L2對系統的影響也不容忽視。
    L3 現在的都是內置的。而它的實際作用即是,L3緩存的應用可以進一步降低內存延遲,同時提升大數據量計算時處理器的性能。降低內存延遲和提升大數據量計算能力對游戲都很有幫助。而在服務器領域增加L3緩存在性能方面仍然有顯著的提升。比方具有較大L3緩存的配置利用物理內存會更有效,故它比較慢的磁盤I/O子系統可以處理更多的數據請求。具有較大L3緩存的處理器提供更有效的文件系統緩存行為及較短消息和處理器隊列長度。
    
     以上就是今天的全部內容。

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