[科普中國(guó)]-中央處理部件能力

簡(jiǎn)介

中央處理部件能力一般是指中央處理部件單位時(shí)間處理完作業(yè)數(shù)量，也可以認(rèn)為是系統(tǒng)的吞吐量，即系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所處理的信息量，它以每小時(shí)或每天所處理的進(jìn)程數(shù)來(lái)度量。提高中央處理部件能力主要是要讓CPU更專(zhuān)注于數(shù)據(jù)工作，一般通過(guò)提高存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備傳輸速率，以及合理分配內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)。

中央處理部件組成CPU算機(jī)執(zhí)行指令操作和運(yùn)算操作的部件，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU。它是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心，控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種運(yùn)算、存取存儲(chǔ)器和輸入/輸出操作都由中央處理器執(zhí)行和處理。中央處理器由運(yùn)算器和控制器組成。此外，通用寄存器和堆棧也是兩個(gè)常用部件1。

存儲(chǔ)器在主機(jī)內(nèi)部存放指令和數(shù)據(jù)，由中央處理器隨機(jī)訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，亦稱(chēng)內(nèi)存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器的每個(gè)單元都有自己的編碼地址，中央處理器按地址訪問(wèn)任一單元。主存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的必備部分，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是以主存儲(chǔ)器為中心，通過(guò)總線可與中央處理器、外圍設(shè)備等交換數(shù)據(jù)。主存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)是存儲(chǔ)容量和存取速度。

主存儲(chǔ)器主要由四部分組成：①存儲(chǔ)單元集合體，簡(jiǎn)稱(chēng)存儲(chǔ)體，用于存放二進(jìn)制形式的程序和數(shù)據(jù);②地址寄存器及地址譯碼器，用于存放由中央處理器送來(lái)的地址，并對(duì)它進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生地址驅(qū)動(dòng)信號(hào);③讀寫(xiě)控制電路，按地址寄存器中的內(nèi)容控制給定地址單元的讀寫(xiě)操作;④數(shù)據(jù)寄存器，用于存放欲寫(xiě)入存儲(chǔ)體中的數(shù)據(jù)，或暫存從存儲(chǔ)體中讀出的數(shù)據(jù)。

提高主存儲(chǔ)器存取速度的途徑主要有兩個(gè)：①元件的更新?lián)Q代。在20世紀(jì)50～60年代主要用磁芯存儲(chǔ)體來(lái)構(gòu)成主存儲(chǔ)器，進(jìn)入70年代逐步用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器來(lái)取代磁芯存儲(chǔ)器，以提高主存的存取速度和容量，并簡(jiǎn)化存儲(chǔ)器的制做工藝。②計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。采用多模塊的交叉訪問(wèn)技術(shù)，中央處理器可以同時(shí)從多個(gè)能并行工作的存儲(chǔ)模塊中，取出指令和數(shù)據(jù)，從而提高并行操作程度，縮短指令和數(shù)據(jù)的平均存取時(shí)間。

輸入輸出設(shè)備電子計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備和輸 出設(shè)備的總稱(chēng)。輸入設(shè)備是向計(jì)算 機(jī)輸入數(shù)據(jù)的裝置，如紙帶輸入機(jī)、 穿孔卡片輸入機(jī)、鍵盤(pán)輸入機(jī)、光筆 輸入機(jī)、縮微膠卷輸入機(jī)、字符閱讀 器等。輸出設(shè)備是把處理完的結(jié)果 數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)輸出的裝置，如行式 打印機(jī)、顯示裝置、X—Y坐標(biāo)繪 圖儀、縮微膠卷輸出機(jī)等。兼有輸 入輸出功能的裝置一般稱(chēng)為 “終端 設(shè)備”。

提高中央處理部件能力方法多級(jí)存儲(chǔ)體系在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)存儲(chǔ)器的容量、速度和價(jià)格這三個(gè)基本性能指標(biāo)都有一定的要求。存儲(chǔ)容量應(yīng)確保各種應(yīng)用的需要；存儲(chǔ)器速度應(yīng)盡量與CPU的速度相匹配并支持I/O操作；存儲(chǔ)器的價(jià)格應(yīng)比較合理。然而，這三者經(jīng)常是互相矛盾的。例如存儲(chǔ)器的速度越快，則每位的價(jià)格就越高；存儲(chǔ)器的容量越大，則存儲(chǔ)器的速度就越慢。按照目前的技術(shù)水平，僅僅采用一種技術(shù)組成單一的存儲(chǔ)器是不可能同時(shí)滿足這些要求的。只有采用由多級(jí)存儲(chǔ)器組成的存儲(chǔ)體系，把幾種存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能較好地解決存儲(chǔ)器大容量、高速度和低成本這三者之間的矛盾。

I/O 通道I/O 通道是一種特殊的處理機(jī)，它具有執(zhí)行 I/O 指令的能力，并通過(guò)執(zhí)行通道(I/O)程序來(lái)控制 I/O 操作。 但 I/O 通道又與一般的處理機(jī)不同， 主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 一是其指令類(lèi)型單一， 這是由于通道硬件比較簡(jiǎn)單， 其所能執(zhí)行的命令主要局限于與 I/O 操作有關(guān)的指令；二是通道沒(méi)有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機(jī)的內(nèi)存中的，換言之，是通道與 CPU 共享內(nèi)存。

I/O 通道方式是 DMA 方式的發(fā)展， 它可進(jìn)一步減少 CPU 的干預(yù)， 即把對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)減少為對(duì)一組數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn) CPU、通道和 I/O 設(shè)備三者的并行操作，從而更有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率。例如，當(dāng) CPU 要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作及有關(guān)控制時(shí)，只需向 I/O 通道發(fā)送一條 I/O 指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問(wèn)的 I/O 設(shè)備，通道接到該指令后，通過(guò)執(zhí)行通道程序便可完成 CPU 指定的 I/O 任務(wù)。

提高傳輸速率提高總線傳輸數(shù)據(jù)速率和提高存儲(chǔ)設(shè)備的存取速度，即從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器所需時(shí)間。

磁盤(pán)緩存由于目前磁盤(pán)的 I/O 速度遠(yuǎn)低于對(duì)主存的訪問(wèn)速度， 因此將頻繁使用的一部分磁盤(pán)數(shù)據(jù)和信息，暫時(shí)存放在磁盤(pán)緩存中，可減少訪問(wèn)磁盤(pán)的次數(shù)。磁盤(pán)緩存本身并不是一種實(shí)際存在的存儲(chǔ)介質(zhì)，它依托于固定磁盤(pán)，提供對(duì)主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間的擴(kuò)充，即利用主存中的存儲(chǔ)空間， 來(lái)暫存從磁盤(pán)中讀出(或?qū)懭?的信息。 主存也可以看做是輔存的高速緩存， 因?yàn)?，輔存中的數(shù)據(jù)必須復(fù)制到主存方能使用；反之，數(shù)據(jù)也必須先存在主存中，才能輸出到輔存。

高速緩存高速緩沖存儲(chǔ)器。緩存是動(dòng)態(tài)內(nèi)存中的存儲(chǔ)區(qū)，在其中存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò) 上地址關(guān)聯(lián)信息。高效使用緩存意 味著在主機(jī)沒(méi)有緩存項(xiàng)時(shí)，它們僅 需要生成發(fā)現(xiàn)分組或幀。主機(jī)、網(wǎng) 橋或路由器可以有若干緩存，例 如，地址轉(zhuǎn)換協(xié)議(ARP)緩存，名字緩存等等。根據(jù)程序的局部性原 理，可以在主存和CPU通用寄存 器之間設(shè)置一個(gè)高速的容量相對(duì) 比較小的存儲(chǔ)器，把正在執(zhí)行的指令地址附近的一部分指令或者數(shù)據(jù)從主存調(diào)入這個(gè)存儲(chǔ)器，供 CPU在一段時(shí)間內(nèi)使用，這對(duì)提 高程序的運(yùn)行速度有很大的幫助。 這個(gè)介于主存和CPU之間的高速小容量存儲(chǔ)器稱(chēng)為高速緩沖存儲(chǔ) 器。它的工作速度數(shù)倍于主存，全 部功能由硬件實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)程序員是透明的。Cache和主存都分成塊，每塊由多個(gè)字節(jié)組成。Cache 數(shù)據(jù)是主存數(shù)據(jù)的副本；Cache標(biāo)記指出主存的哪些塊存放在 Cache中。由主存地址的低位部分作為Cache的地址訪問(wèn)Cache數(shù) 據(jù)；用主存的塊號(hào)字段訪問(wèn)Cache標(biāo)記，并將取出的標(biāo)記和主存地址 的標(biāo)記字段相比較，如果相等，說(shuō) 明訪問(wèn)的Cache數(shù)據(jù)有效，稱(chēng) Cache命中；如果不相等，說(shuō)明訪問(wèn)的Cache數(shù)據(jù)無(wú)效，稱(chēng)Cache不 命中，或訪問(wèn)失效。此時(shí)，需要訪問(wèn)主存，并且將包括此數(shù)據(jù)的一塊信息裝入Cache。如果Cache已經(jīng)被裝滿，則需要根據(jù)某種替換算法， 用此塊信息替換Cache中原來(lái)的 某塊信息。