計算機組成原理漫談的相關論文
隨著計算機和微電子技術的發展，儲存器無論是其器件還是體系結構都發生了很大的變化。儲存器是計算機的主要部件之一，其容量，速度，價格是儲存器設計時所要考慮的三個要素現在有的速度快，但容量小;有的容量大，但速度慢。下面是小編為大家整理的，希望大家喜歡!
篇一
《計算機系統的儲存器體系結構》
【摘要】：儲存器是資訊存放的載體，是計算機系統的重要組成部分。有了儲存器計算機才有記憶的功能，才能把要計算和處理的資料以及程式存入計算機，使計算機能夠脫離人的直接干預，自動工作。顯然，儲存器的容量越大，存放的資訊就越多，計算機體系的功能也就越強。在計算機中，大量的操作是CPU與儲存器交換資訊。但是，儲存器的工作速度相對於CPU總是要低1至2個數量級。因此，儲存器的工作速度又是影響計算機系統資料處理速度的主要因素。為了使容量，速度與成本適當折衷，現代計算機系統都是採用多級儲存體系結構：主儲存器***記憶體儲器***，輔助******外***儲存器以及網路儲存器。
【關鍵詞】：記憶體***memory***,MPU***暫存器Register***，外存裝置，RAM，ROM,Cache儲存器。
【正文】
隨著計算機和微電子技術的發展，儲存器無論是其器件還是體系結構都發生了很大的變化。儲存器是計算機的主要部件之一，其容量，速度，價格是儲存器設計時所要考慮的三個要素現在有的速度快，但容量小;有的容量大，但速度慢。一般而言，速度快的儲存器容量小，位價格高。儲存器一般分為記憶體***memory***,MPU***暫存器Register***,外存裝置。
所謂儲存系統的層次結構，就是把各種不同儲存容量、存取速度和價格的儲存器按層次結構組成多層儲存器，並通過管理軟體和輔助硬體有機組合成統一的整體，使所存放的程式和資料按層次分佈在各種儲存器中。目前，在計算機系統中通常採用三級層次結構來構成儲存系統，主要由高速緩衝儲存器Cache、主儲存器和輔助儲存器組成，在儲存系統多級層次結構中，由上向下分三級，其容量逐漸增大，速度逐級降低，成本則逐次減少。整個結構又可以看成兩個層次：它們分別是主存一輔存層次和cache一主存層次。這個層次系統中的每一種儲存器都不再是孤立的儲存器，而是一個有機的整體。它們在輔助硬體和計算機作業系統的管理下，可把主存一輔存層次作為一個儲存整體，形成的可定址儲存空間比主儲存器空間大得多。由於輔存容量大，價格低，使得儲存系統的整體平均價格降低。由於Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美，故cache一主存層次可以縮小主存和cPu之間的速度差距，從整體上提高儲存器系統的存取速度。儘管Cache成本高，但由於容量較小，故不會使儲存系統的整體價格增加很多。綜上所述，一個較大的儲存系統是由各種不同型別的儲存裝置構成，是一個具有多級層次結構的儲存系統。該系統既有與CPU相近的速度，又有極大的容量，而成本又是較低的。其中快取記憶體解決了儲存系統的速度問題，輔助儲存器則解決了儲存系統的容量問題。採用多級層次結構的儲存器系統可以有效的解決儲存器的速度、容量和價格之間的矛盾。
暫存器***Register***存在於CPU中，直接服務於運算器和控制器，是CPU工作的直接物件，是工作最繁忙的儲存器。暫存器的資料儲存也是以位元組為單位，但根據CPU的字長及工作需要，也可以操作某個位或多個位元組。暫存器和運算器，控制器等整合在一起，通過CPU內部匯流排連線在一起，它們同步工作，暫存器是工作速度最快的儲存器。
記憶體Memory和CPU之間通過系統匯流排直接連線在一起，由CPU直接控制記憶體的讀寫操作。記憶體的基本儲存方式是儲存單元***MemoryUnit***一個位元組Byte長度，8個二進位制位Bit。一個計算機系統的所有記憶體構成一個完整的連續的儲存空間，實體地址從0開始連續編址。CPU在訪問記憶體空間中的儲存單元時可以隨機訪問，只需指定其實體地址即可。CPU在讀寫記憶體時總是以1/2/4個位元組為單位進行，在此基礎上可通過暫存器獲取其中某個二進位制位的資料/狀態。單個位元組Byte的資料由8位資料構成，D7~D0***最高位~最低位***。兩個位元組資料合在一起稱為字Word,由D15~D0***最高位~最低位***共16位資料構成。四個位元組資料合在一起稱為雙字DWord，由D31~D0***最高位~最低位***共32位資料構成。從低位元組到最高位元組依次存放在模4地址開始的四個儲存單元中，用低位元組的地址訪問整個雙字的所有4位元組資料。，儲存器有可靠性***MTBF***，工作電壓和功率消耗低。
記憶體的分類：RAM———RandomAccessMemory隨機訪問儲存器———計算機的主要場所。主要特點：可讀寫，臨時性，易失性，容量大，低電壓，速度快，低功耗。主要型別：SRAM***靜態***和DRAM***動態***。SRAM：速度快，容量限制，構成複雜，功耗大，成本高——用作Cache。DRAM：速度慢，容量大，構成複雜，功耗大，成本低——用作主存。ROM———ReadOnlyMemory只讀儲存器——計算機不可缺少的輔助記憶體。只讀，永久性，非易失性，容量小，速度慢，功耗大，使用不便。主要型別：掩模式ROM,PROM,EPROM,E2PROM,FlashROM——資料的擦除和寫入方式不同。
只讀儲存器***ROM***是一種工作時只能讀出，不能寫入資訊的儲存器。在使用ROM時，其內部資訊是不能被改變的，故一般只能存放固定程式，如監控程式、BIOS程式等。只讀儲存器***ROM***的特點是非易失性，即它所儲存的資訊一經寫入，就可以長久儲存，不受電源斷電的影響，即使掉電後儲存資訊仍不會改變，十分可靠。按儲存單元的結構和生產工藝的不同，只讀儲存器ROM又可分為：掩膜只讀儲存器***ROM***、可程式設計只讀儲存器***PROM***、光可擦除可程式設計只讀儲存器***EPROM***、電可擦除可程式設計只讀儲存器***E2PROM***。
外存和外設：外存通過外存介面連線到系統匯流排，在CPU的控制下完成資料的讀寫操作。不同的外存工作原理不同，具體的資料讀寫過程和方式也不相同，但外存屬於塊儲存器，一般採用特定方式通過匯流排與記憶體交換資料。各種外設I/O裝置也可以看作是特定的外存。反之，各種外設也屬於I/O裝置。記憶體是動態儲存器，不能永久大量資料，必須通過外存實現更大容量資料的永久性儲存。
Cache儲存器：多級Cache技術——L1Cache，L2Cache,L3Cache。衡量Cache工作效率的主要指標——命中率，控制策略，資料查詢模式等。為了提高Cache的效率，當前在L1Cach中普遍實現了資料***D-Cache***和***L-Cache***分開快取的技術，L2和L3大多還是資料和指令混合快取。大幅度提高Cache的容量也能明顯改善系統效率。有些外設裝置也採用了Cache技術，用來提高和記憶體之間交換資料的效率，如硬碟等。Intel從1985年為80386CPU提供Cache支援，如今在至強系列XEONCPU中Cache技術發揮到極致。文中主要介紹了儲存器體系結構，它是計算機的儲存器件，它可以與CPU連線交換資料，也可以用來儲存資料。計算機每執行完一條指令，至少都要訪問一次儲存器。還有它的分類、層次結構、隨機儲存器RAM和只讀儲存器ROM的基本知識結構、工作原理等內容，還要從應用的角度介紹儲存器容量的形成與CPU的連線，還有輔助儲存器及一些新的的技術。
輔助儲存器用來存放當前暫時不用的程式或資料，需要時再成批地調入主存。它屬於外部裝置，因此，又稱其為外儲存器。常用的輔助儲存器有軟盤、硬碟和光碟儲存器等。
1.軟盤儲存器及其介面
軟盤儲存器是在聚脂薄膜圓形基片上塗一層磁性材料而形成。以體積小、價格低、結構簡單、易於維護、攜帶方便和對環境要求不高等優點而得到廣泛應用。按軟盤驅動器的效能可分為單面盤和雙面盤。
***1***主要技術指標如下：
磁軌：磁碟上的記錄面分成許多以碟片中心為圓心的同心圓，每個圓稱為一個磁軌***Track***。
道密度：沿磁碟徑向單位長度上的磁軌數稱為“道密度”。常用每英寸上的磁軌數來表示。
位密度：磁軌上資料的記錄密度稱為“位密度”。常用每英寸長度上所記錄的的位單元數來表示。
扇區：磁軌再劃分成許多小的儲存區，每個儲存區稱為扇區***sector***。
***2***軟盤驅動器***FDD***
軟盤驅動器主要完成對磁碟的讀寫工作，由軟盤驅動機構和讀寫控制電路組成。
軟盤驅動機構可分為：碟片定位機構;軟盤驅動裝置;控制磁頭尋道定位部件;狀態檢測部件。
讀寫控制電路可分為：讀出放大電路;寫電路;抹電路。
***3***軟盤控制器
軟盤控制器的功能是解釋來自主機的命令並向軟盤驅動器發出各種控制訊號，同時還要檢測驅動器的狀態，按規定的資料格式向驅動器讀寫資料等。具體操作如下：
尋道操作：將磁頭定位在目標磁軌上。尋道前，主機將目標道號送往磁碟控制器暫存，目標道號與磁頭所在道號進行比較，決定磁頭運動的道數和方向。地址檢測：主機將目標地址送往軟盤控制器，控制器從驅動器上按記錄格式讀取地址資訊並與目標地址進行比較，找到讀寫資訊的磁碟地址。
讀資料：首先檢測資料標誌是否正確，然後將資料欄位的內容送入記憶體，最後進行CRC校驗。
寫資料：寫資料時不僅要將原始資訊經編碼後寫入磁碟，同時要寫上資料區標誌和CRC校驗碼以及間隙。如果原始資訊寫不滿一個區段，自動插入全‘0’。初始化：在碟片上寫格式化資訊，對每個磁軌劃分區段。軟盤控制器主要由以下幾部分組成：
資料匯流排緩衝器：用於緩衝主機送來的並行資料。緩衝器中的資料再通過內部匯流排與暫存器中的資訊進行傳送。
讀寫DMA控制邏輯：主要功能是進行讀寫和DMA控制。採用DMA方式傳送資料時，此部分可產生資料請求***DRQ***訊號，藉助DMA控制晶片向CPU申請匯流排控制。CPU響應後，讓出匯流排控制權，接著轉入DMA資料傳送。
序列介面控制器：主要用來控制讀寫的各種訊號。當採用雙密記錄方式寫入資料時，引入補償電路;讀出時，引入鎖相電路，分離出資料。
驅動器介面控制器：用來控制輸入/輸出的各種訊號。
內部暫存器：用來存放軟盤控制器晶片的狀態、資料、命令和引數。新型儲存器技術。
1.多體交叉儲存器
多體交叉儲存器的設計思想是在物理上將主存分成多個模組，每一個模組都包括一個儲存體、地址緩衝暫存器和資料緩衝暫存器等，即它們都是一個完整的儲存器。因此，CPU就能同時訪問各個儲存模組，任何時候都允許對多個模組並行地進行讀寫操作，從而提高整個儲存系統的平均訪問速度。
多體交叉儲存器是利用主存地址的低K位來選擇模組***可確定2K個模組***，高m位用來指定模組中的儲存單元，這樣連續的幾個地址就位於相鄰的幾個模組中，而不是在同一個模組中，故稱為“多體交叉編址”。於是CPU要訪問主存的幾個連續地址時，可使這幾個模組同時工作，使整個主存的平均利用率得到提高。
2.閃速儲存器
閃速儲存器的英文名稱為FlashMemory，有時也譯為“快快閃記憶體儲器”。它既有EPROM價格便宜、整合度高的優點，又有E2PROM的電可擦除性、可重寫性，具有可靠的非易失性，重寫速度較快，對於需要實施程式碼或資料更新的嵌入性應用是一種理想的儲存器。
3.高速緩衝儲存器Cache
高速緩衝儲存器***Cache***位於CPU與儲存容量較大但操作速度較慢的主存之問，可以提高CPU訪問儲存器時的存取速度，減少處理器的等待時間，使程式設計師能使用一個速度與CPU相當而容量與主存相當的儲存器。
高速緩衝儲存器***Cache***是根據程式的區域性性原理，即在一個較小時間間隔內，程式所要用到的指令或資料的地址往往集中在一個區域性區域內，因而對區域性範圍內的儲存器地址頻繁訪問，而對此範圍外的地址則訪問甚少，這就稱為程式訪問的區域性性原理。
虛擬儲存器
虛擬儲存器***VirtualMemory***是以儲存器訪問的區域性性為基礎，建立在主存一輔存物理體系結構上的儲存管理技術。它是為了擴大儲存容量，把輔存當作主存使用，在輔助軟、硬體的控制下，將主存和輔存的地址空問統編址，形成個龐大的儲存空間。程式執行時，使用者可以訪問輔存中的資訊，可以使用與訪問主存同樣的定址方式，所需要的程式和資料由輔助軟體和硬體自動調入主存，這個擴大了的儲存空間，就稱為虛擬儲存器。
【參考文獻】：
[1]《微機原理與介面技術》楊邦華馬世偉王健劉延章編著
[2]白巾英.計算機組成原理***第三版***[M].北京：科學出版社，2000.
[3]李學幹.計算機系統結構[M].北京：經濟科學出版社，2000.
[4]唐朔飛.計算機組成原理[M].北京：高等教育出版社，1999
篇二
《如何製造高效能運算機》
摘要：高效能運算機是衡量一個國家綜合國力的重要標誌，是國家資訊化建設的根本保證。發展高效能運算機，可以帶動科學技術的進步，解決國民經濟建設、社會發展進步、國防建設與國家安全等方面一系列的挑戰性問題，促進我國相關產業的快速發展。高效能運算機與我們生活息息相關，文章總結了國內外高效能運算機發展現狀及發展趨勢，闡述了高效能運算機的重要性，並總結了我國目前發展高效能運算機面臨的問題，最後提出如何製造高效能運算機所遇到問題的解決辦法。
關鍵詞：高效能運算機;重要性;發展趨勢;存在問題;解決辦法
正文：
高效能運算機概念：
高效能運算概述高效能運算***英文highperformancecomputing，縮寫HPC***指通常使用很多處理器***作為單個機器的一部分***或者某一叢集中組織的幾臺計算機***作為單個計算資源操作***的計算系統和環境。有許多型別的HPC系統，其範圍從標準計算機的大型叢集，到高度專用的硬體。大多數基於叢集的HPC系統使用高效能網路互連，比如那些來自InfiniBand或Myrinet的網路互連。基本的網路拓撲和組織可以使用一個簡單的匯流排拓撲，在效能很高的環境中，網狀網路系統在主機之間提供較短的潛伏期，所以可改善總體網路效能和傳輸速率。
高效能運算機的重要性：
高效能運算機是衡量一個國家綜合國力的重要標誌，是國家資訊化建設的根本保證。發展高效能運算機，可以帶動科學技術的進步，解決國民經濟建設、社會發展進步、國防建設與國家安全等方面一系列的挑戰性問題，促進我國相關產業的快速發展。衡量高效能運算機的水準主要是看其計算能力。60年前，當每秒能完成數千次運算的第一臺數字計算機誕生時，它就是當時最高計算能力的體現。近30年來，計算機的運算速度平均每10年就要翻1000倍，這比我們通常說的每18個月翻一番的摩爾定律速度還要快。在進入新世紀的今天，恐怕每秒5萬億次到10萬億次的運算速度只能算是高效能運算機入門的門檻高效能運算機與大眾生活息息相關高效能運算機一般都和科學研究聯絡在一起，小到原子結構的分析，大到宇宙起源模擬，到處都需要高效能運算機。但是，高效能運算機的應用決不僅限於此。在和人民大眾生活息息相關的各個領域。在和人民大眾生活息息相關的各個領域，我們都可以看到高效能運算機的身影：
1對新藥研製的促進。
在與疾病作鬥爭的過程中，我們需要新的藥品。研製一種新藥從化合物篩選到臨床試驗，一般需要10到15年的時間。在化合物篩選階段，對於數十萬種化合物，用傳統的實驗手段，篩選出有效的化合物需要花費大量資金購買化合物，需要幾年的實驗時間，而且篩選—的範圍受到金錢和時間限制，難以得到最佳的結果。現在使用高效能運算機這個工具，以計算機模擬的手段，科學家可以在較短的時間內從幾十萬甚至幾百萬種化合物中篩選出有效的藥物化合物，這不僅節省了購買真實化合物的大量資金，而且大大縮短了藥物研發的週期。
2對網路資訊服務的影響。
在網路日益普及的今天，我們已經漸漸習慣於從網上獲得資訊和服務，但是同時也經常為服務響應速度的遲緩而煩惱。網路資訊服務絕不是我們通常想象的找一臺微機伺服器，建個網站就能成的事。要面對數千萬、數億使用者的訪問請求，伺服器必須有強大的資料吞吐和處理能力。這又是高效能運算機發揮作用的舞臺。高效能伺服器每秒種可以處理數千萬乃至數億次服務請求，及時提供使用者所需要的資訊和服務，保證服務質量。
3對製造業的推動。
我國是一個製造業大國，被人們稱為“世界工廠”。高效能運算在製造業的廣泛使用，不僅可以幫助工程師在設計階段更科學地計算材料強度，更合理地選擇和使用材料，設計出更符合空氣和流體動力學原理和人體工程的產品結構和外形，而且可以在模擬基礎上全面規劃整個製造過程，有效提高產品製造的質量和產量。基於高效能運算的全數字化設計製造環境在縮短產品設計週期、節能降耗、降低汙染、提高產品質量方面的作用不可限量。用高效能運算能力武裝起來的製造業必然能更快速地應對市場的動態需求，提高自身的競爭能力。
4工農業生產和人民生活需要精確的天氣預報。
以高效能運算為基礎的氣象和氣候數值預報是精確天氣預報的基礎。我們知道，地球連同它的大氣層是一個大系統，它的內部以及它與宇宙空間，特別是與太陽之間的能量交換與轉換決定了地球上的氣候狀況。如果我們能夠在觀察資料的基礎上，精確地計算和模擬出這個系統內能量轉換的過程，我們就可以精確地預測天氣的變化。現在的高效能運算機的速度還不足以讓我們在全球範圍以精確的尺度達到這個目的。
高效能運算機發展趨勢：
高效能運算機與網格研究的關係1.高效能運算機***HPC***與網格向分化與共生方向發展。HPC以科學計算為主，實現Petaflops計算機系統是現階段的主要追求目標，研究領域包括新體系結構、新器件技術、系統軟體等。2.計算網格作為一種廉價、易得的計算資源，受到應用科學家及普通使用者的廣泛關注與試用，向成為高效能運算機系統的使用門戶***Portal***的方向發展。3.資料與資訊網格提供各種應用系統的開發使用平臺，具有資源共享、動態互動與整合等特徵，是網格技術研究與發展的主要方面。
高效能運算機的使用模式
1.從傳統集中使用***高效能運算中心***向整合化***與其他裝置***、網格化***其它計算中心***及按需計算***租借計算力***的方向發展。
2.高效能運算機使用者與普通計算機***伺服器、PC***一樣，關心TOCinlifeCycle及TOCinprojectperiods。
3.按需計算***部分計算力、聯合計算***、製造成本***10-100倍於傳統PCcluster***、執行成本***體積、功耗***等要求對新一代高效能運算機的研發提出挑戰。
HPC體系結構向超大規模並行、多級儲存結構及混合粒度程式設計的方向發展
1.實現Petaflops計算效能的HPC需要10,000-100,000CPUCore***處理器模組***以並行方式連線起來。相對今天幾千個CPU構成的系統結構，超大規模並行在節點、連線與儲存等方面需要創新。2.CPU與Memory之間的效能“差距”***Bandwidth,Latency***通過多級儲存結構***memoryhierarchy***進行擬合。3.粗中細粒度混合程式設計模型充分挖掘問題本身的並行性的前提下，發揮超大規模系統的執行效率。
當前制約我國高效能計算髮展的主要因素有：
1.核心技術不足。我國製造的高效能運算機在核心技術上雖有不少突破，但仍然在很大程度上依靠於國外。在高效能運算機體系結構和關鍵技術上投入的研究經費和研究力量不足，阻礙我國在該領域的創新。2.人才不足，高效能運算機的應用目標往往是解決綜合性、系統性的複雜問題，涉及多個領域。開發一個好的高效能運算應用涉及應用問題抽象、模型建立、並行演算法研究、並行程式實現、應用系統測試驗證等多個階段，需要熟悉應用和計算的“多面手”型人才需要不同學科、不同技術背景的人員的密切合作。而我國高校目前的專業劃分難以培養既熟悉先進計算機技術，又熟悉應用領域問題的人才，以至於這類人才奇缺。不同學科的科技人員之間的交流和合作機制又不健全，造成懂高效能運算機的人不懂應用，而瞭解應用的人又不知道如何用高效能運算的方法來解決問題的局面。
3.應用軟體匱乏我國長期以來存在的重硬體、輕軟體的現象在高效能運算領域格外突出，影響更大。對於高效能運算機而言，缺乏合適的應用軟體就根本無法開展相應的應用，也無法吸引使用者來使用高效能運算機。高效能運算機上執行的應用軟體專業性強，價格昂貴，國內應用部門每年都花費大量經費，採購應用軟體，但是這種採購一般是分散進行的，缺少相互協調，因此國家整體佈局還不盡合理，有些軟體多個部門重複採購，而另一些急需的軟體又沒人購買。另外，單個部門購買軟體的規模往往有限，不能與並行硬體的規模相適應。這些軟體的所有權和使用權屬於採購的部門，不同部門擁有的軟體難以交流和共享。此外，很多國外的應用軟體都和國外的高效能運算機系統繫結，這就迫使我國的使用者在採購軟體的同時必須選用國外的硬體系統，嚴重影響國產高效能運算機的推廣應用和我國高效能運算機產業的成長壯大。
4資源分佈不均勻，國內高效能運算機主要分佈在科研院所、大學以及石油勘探、氣象預等應用部門，地域分佈也不均勻。資源分佈的不均勻和資源訪問的困難，使得不少高效能運算的潛在使用者放棄了應用的打算。在經濟效益不夠好的傳統產業尤其如此。這種資源分佈的不均勻性一方面使需要資源的使用者難以獲得資源，另一方面也造成寶貴資源的閒置和浪費。
解決辦法：
高效能運算***HighPerformanceComputing***是電腦科學的一個分支，主要是指從體系結構、並行演算法和軟體開發等方面研究開發高效能運算機的技術。隨著計算機技術的飛速發展，高效能運算機的計算速度不斷提高，其標準也處在不斷變化之中。
我國的高效能運算事業必須走可持續均衡發展的道路。高效能運算是昂貴的，不僅有裝置的初始投入，而且有場地條件、電力消耗、執行維護和人員隊伍建設等多種費用。因此，一定要切實從應用需求出發，大力促進應用的進步，以此推動高效能運算的發展。強調應用需求牽引並不是忽視技術的推動作用。技術的進步可以創造新的應用，調動新的應用需求。網格以其資源共享、協同工作的固有能力和網格服務的形式，支援使用者共享使用Internet中的各類資源;網格允許使用者克服地理的障礙，更便捷地獲得高效能運算的能力;網格簡化高效能運算機的使用方式，使更多的普通使用者能夠利用高效能運算機的能力去解決過去難以解決的問題，擴大了高效能運算機的應用範圍。需要強調的是，高效能運算的技術創新有賴於國家持續的支援，以保證足夠的研究經費和一支高水平精幹的研究隊伍。高效能運算人才的培養是一項長期的艱鉅任務，不僅要通過改革高校的學科劃分和專業設定來加強高效能運算複合型人才的培養，還要通過應用系統的開發，培養和鍛鍊各個行業與領域熟悉高效能運算的人才，只有這樣才能真正保證高效能運算及應用的可持續發展。
參考文獻：
1.百度百科
2.《高效能運算機發展現狀及機遇到的問題》
3.《高效能運算機的發展趨勢》樊建平