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，存儲器無論是其器件還是體系結構都發生了很大的變化。存儲器是計算機的主要部件之一，其容量，速度，價格是存儲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。下面是學習啦小編為大家整理的計算機組成原理漫談的相關論文，希望大家喜歡!
計算機組成原理漫談的相關論文篇一
《計算機系統的存儲器體系結構》
【摘要】：存儲器是信息存放的載體，是計算機系統的重要組成部分。有了存儲器計算機才有記憶的功能，才能把要計算和處理的數據以及程序存入計算機，使計算機能夠脫離人的直接干預，自動工作。顯然，存儲器的容量越大，存放的信息就越多，計算機體系的功能也就越強。在計算機中，大量的操作是CPU與存儲器交換信息。但是，存儲器的工作速度相對于CPU總是要低1至2個數量級。因此，存儲器的工作速度又是影響計算機系統數據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采用多級存儲體系結構：主存儲器(內存儲器)，輔助)(外)存儲器以及網絡存儲器。
【關鍵詞】：內存(memory),MPU(寄存器Register)，外存設備，RAM，ROM,Cache存儲器。
【正文】
隨著計算機和微電子技術的發展，存儲器無論是其器件還是體系結構都發生了很大的變化。存儲器是計算機的主要部件之一，其容量，速度，價格是存儲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，速度快的存儲器容量小，位價格高。存儲器一般分為內存(memory),MPU(寄存器Register),外存設備。
所謂存儲系統的層次結構，就是把各種不同存儲容量、存取速度和價格的存儲器按層次結構組成多層存儲器，并通過管理軟件和輔助硬件有機組合成統一的整體，使所存放的程序和數據按層次分布在各種存儲器中。目前，在計算機系統中通常采用三級層次結構來構成存儲系統，主要由高速緩沖存儲器Cache、主存儲器和輔助存儲器組成，在存儲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存儲器都不再是孤立的存儲器，而是一個有機的整體。它們在輔助硬件和計算機操作系統的管理下，可把主存一輔存層次作為一個存儲整體，形成的可尋址存儲空間比主存儲器空間大得多。由于輔存容量大，價格低，使得存儲系統的整體平均價格降低。由于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，從整體上提高存儲器系統的存取速度。盡管Cache成本高，但由于容量較小，故不會使存儲系統的整體價格增加很多。綜上所述，一個較大的存儲系統是由各種不同類型的存儲設備構成，是一個具有多級層次結構的存儲系統。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。其中高速緩存解決了存儲系統的速度問題，輔助存儲器則解決了存儲系統的容量問題。采用多級層次結構的存儲器系統可以有效的解決存儲器的速度、容量和價格之間的矛盾。
寄存器(Register)存在于CPU中，直接服務于運算器和控制器，是CPU工作的直接對象，是工作最繁忙的存儲器。寄存器的數據存儲也是以字節為單位，但根據CPU的字長及工作需要，也可以操作某個位或多個字節。寄存器和運算器，控制器等集成在一起，通過CPU內部總線連接在一起，它們同步工作，寄存器是工作速度最快的存儲器。
內存Memory和CPU之間通過系統總線直接連接在一起，由CPU直接控制內存的讀寫操作。內存的基本存儲方式是存儲單元(MemoryUnit)一個字節Byte長度，8個二進制位Bit。一個計算機系統的所有內存構成一個完整的連續的存儲空間，物理地址從0開始連續編址。CPU在訪問內存空間中的存儲單元時可以隨機訪問，只需指定其物理地址即可。CPU在讀寫內存時總是以1/2/4個字節為單位進行，在此基礎上可通過寄存器獲取其中某個二進制位的數據/狀態。單個字節Byte的數據由8位數據構成，D7~D0(最高位~最低位)。兩個字節數據合在一起稱為字Word,由D15~D0(最高位~最低位)共16位數據構成。四個字節數據合在一起稱為雙字DWord，由D31~D0(最高位~最低位)共32位數據構成。從低字節到最高字節依次存放在模4地址開始的四個存儲單元中，用低字節的地址訪問整個雙字的所有4字節數據。，存儲器有可靠性(MTBF)，工作電壓和功率消耗低。
內存的分類：RAM———RandomAccessMemory隨機訪問存儲器———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。主要類型：SRAM(靜態)和DRAM(動態)。SRAM：速度快，容量限制，構成復雜，功耗大，成本高——用作Cache。DRAM：速度慢，容量大，構成復雜，功耗大，成本低——用作主存。ROM———ReadOnlyMemory只讀存儲器——計算機不可缺少的輔助內存。只讀，永久性，非易失性，容量小，速度慢，功耗大，使用不便。主要類型：掩模式ROM,PROM,EPROM,E2PROM,FlashROM——數據的擦除和寫入方式不同。
只讀存儲器(ROM)是一種工作時只能讀出，不能寫入信息的存儲器。在使用ROM時，其內部信息是不能被改變的，故一般只能存放固定程序，如監控程序、BIOS程序等。只讀存儲器(ROM)的特點是非易失性，即它所存儲的信息一經寫入，就可以長久保存，不受電源斷電的影響，即使掉電后存儲信息仍不會改變，十分可靠。按存儲單元的結構和生產工藝的不同，只讀存儲器ROM又可分為：掩膜只讀存儲器(ROM)、可編程只讀存儲器(PROM)、光可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(E2PROM)。
外存和外設：外存通過外存接口連接到系統總線，在CPU的控制下完成數據的讀寫操作。不同的外存工作原理不同，具體的數據讀寫過程和方式也不相同，但外存屬于塊存儲器，一般采用特定方式通過總線與內存交換數據。各種外設I/O設備也可以看作是特定的外存。反之，各種外設也屬于I/O設備。內存是動態存儲器，不能永久大量數據，必須通過外存實現更大容量數據的永久性保存。
Cache存儲器：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，數據查找模式等。為了提高Cache的效率，當前在L1Cach中普遍實現了數據(D-Cache)和(L-Cache)分開緩存的技術，L2和L3大多還是數據和指令混合緩存。大幅度提高Cache的容量也能明顯改善系統效率。有些外設設備也采用了Cache技術，用來提高和內存之間交換數據的效率，如硬盤等。Intel從1985年為80386CPU提供Cache支持，如今在至強系列XEONCPU中Cache技術發揮到極致。文中主要介紹了存儲器體系結構，它是計算機的存儲器件，它可以與CPU連接交換數據，也可以用來保存數據。計算機每執行完一條指令，至少都要訪問一次存儲器。還有它的分類、層次結構、隨機存儲器RAM和只讀存儲器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存儲器容量的形成與CPU的連接，還有輔助存儲器及一些新的的技術。
輔助存儲器用來存放當前暫時不用的程序或數據，需要時再成批地調入主存。它屬于外部設備，因此，又稱其為外存儲器。常用的輔助存儲器有軟盤、硬盤和光盤存儲器等。
1.軟盤存儲器及其接口
軟盤存儲器是在聚脂薄膜圓形基片上涂一層磁性材料而形成。以體積小、價格低、結構簡單、易于維護、攜帶方便和對環境要求不高等優點而得到廣泛應用。按軟盤驅動器的性能可分為單面盤和雙面盤。
(1)主要技術指標如下：
磁道：磁盤上的記錄面分成許多以盤片中心為圓心的同心圓，每個圓稱為一個磁道(Track)。
道密度：沿磁盤徑向單位長度上的磁道數稱為“道密度”。常用每英寸上的磁道數來表示。
位密度：磁道上數據的記錄密度稱為“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：磁道再劃分成許多小的存儲區，每個存儲區稱為扇區(sector)。
(2)軟盤驅動器(FDD)
軟盤驅動器主要完成對磁盤的讀寫工作，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：盤片定位機構;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并向軟盤驅動器發出各種控制信號，同時還要檢測驅動器的狀態，按規定的數據格式向驅動器讀寫數據等。具體操作如下：
尋道操作：將磁頭定位在目標磁道上。尋道前，主機將目標道號送往磁盤控制器暫存，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信息并與目標地址進行比較，找到讀寫信息的磁盤地址。
讀數據：首先檢測數據標志是否正確，然后將數據字段的內容送入內存，最后進行CRC校驗。
寫數據：寫數據時不僅要將原始信息經編碼后寫入磁盤，同時要寫上數據區標志和CRC校驗碼以及間隙。如果原始信息寫不滿一個區段，自動插入全‘0’。初始化：在盤片上寫格式化信息，對每個磁道劃分區段。軟盤控制器主要由以下幾部分組成：
數據總線緩沖器：用于緩沖主機送來的并行數據。緩沖器中的數據再通過內部總線與寄存器中的信息進行傳送。
讀寫DMA控制邏輯：主要功能是進行讀寫和DMA控制。采用DMA方式傳送數據時，此部分可產生數據請求(DRQ)信號，借助DMA控制芯片向CPU申請總線控制。CPU響應后，讓出總線控制權，接著轉入DMA數據傳送。
串行接口控制器：主要用來控制讀寫的各種信號。當采用雙密記錄方式寫入數據時，引入補償電路;讀出時，引入鎖相電路，分離出數據。
驅動器接口控制器：用來控制輸入/輸出的各種信號。
內部寄存器：用來存放軟盤控制器芯片的狀態、數據、命令和參數。新型存儲器技術。
1.多體交叉存儲器
多體交叉存儲器的設計思想是在物理上將主存分成多個模塊，每一個模塊都包括一個存儲體、地址緩沖寄存器和數據緩沖寄存器等，即它們都是一個完整的存儲器。因此，CPU就能同時訪問各個存儲模塊，任何時候都允許對多個模塊并行地進行讀寫操作，從而提高整個存儲系統的平均訪問速度。
多體交叉存儲器是利用主存地址的低K位來選擇模塊(可確定2K個模塊)，高m位用來指定模塊中的存儲單元，這樣連續的幾個地址就位于相鄰的幾個模塊中，而不是在同一個模塊中，故稱為“多體交叉編址”。于是CPU要訪問主存的幾個連續地址時，可使這幾個模塊同時工作，使整個主存的平均利用率得到提高。
2.閃速存儲器
閃速存儲器的英文名稱為FlashMemory，有時也譯為“快閃存儲器”。它既有EPROM價格便宜、集成度高的優點，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，對于需要實施代碼或數據更新的嵌入性應用是一種理想的存儲器。
3.高速緩沖存儲器Cache
高速緩沖存儲器(Cache)位于CPU與存儲容量較大但操作速度較慢的主存之問，可以提高CPU訪問存儲器時的存取速度，減少處理器的等待時間，使程序員能使用一個速度與CPU相當而容量與主存相當的存儲器。
高速緩沖存儲器(Cache)是根據程序的局部性原理，即在一個較小時間間隔內，程序所要用到的指令或數據的地址往往集中在一個局部區域內，因而對局部范圍內的存儲器地址頻繁訪問，而對此范圍外的地址則訪問甚少，這就稱為程序訪問的局部性原理。
虛擬存儲器
虛擬存儲器(VirtualMemory)是以存儲器訪問的局部性為基礎，建立在主存一輔存物理體系結構上的存儲管理技術。它是為了擴大存儲容量，把輔存當作主存使用，在輔助軟、硬件的控制下，將主存和輔存的地址空問統編址，形成個龐大的存儲空間。程序運行時，用戶可以訪問輔存中的信息，可以使用與訪問主存同樣的尋址方式，所需要的程序和數據由輔助軟件和硬件自動調入主存，這個擴大了的存儲空間，就稱為虛擬存儲器。
【參考文獻】：
[1]《微機原理與接口技術》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]李學干.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
計算機組成原理漫談的相關論文篇二
《如何制造高性能計算機》
摘要：高性能計算機是衡量一個國家綜合國力的重要標志，是國家信息化建設的根本保證。發展高性能計算機，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。高性能計算機與我們生活息息相關，文章總結了國內外高性能計算機發展現狀及發展趨勢，闡述了高性能計算機的重要性，并總結了我國目前發展高性能計算機面臨的問題，最后提出如何制造高性能計算機所遇到問題的解決辦法。
關鍵詞：高性能計算機;重要性;發展趨勢;存在問題;解決辦法
正文：
高性能計算機概念：
高性能計算概述高性能計算(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)或者某一集群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。有許多類型的HPC系統，其范圍從標準計算機的大型集群，到高度專用的硬件。大多數基于集群的HPC系統使用高性能網絡互連，比如那些來自InfiniBand或Myrinet的網絡互連。基本的網絡拓撲和組織可以使用一個簡單的總線拓撲，在性能很高的環境中，網狀網絡系統在主機之間提供較短的潛伏期，所以可改善總體網絡性能和傳輸速率。
高性能計算機的重要性：
高性能計算機是衡量一個國家綜合國力的重要標志，是國家信息化建設的根本保證。發展高性能計算機，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。衡量高性能計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性能計算機入門的門檻高性能計算機與大眾生活息息相關高性能計算機一般都和科學研究聯系在一起，小到原子結構的分析，大到宇宙起源模擬，到處都需要高性能計算機。但是，高性能計算機的應用決不僅限于此。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，我們都可以看到高性能計算機的身影：
1對新藥研制的促進。
在與疾病作斗爭的過程中，我們需要新的藥品。研制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，對于數十萬種化合物，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—的范圍受到金錢和時間限制，難以得到最佳的結果。現在使用高性能計算機這個工具，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周期。
2對網絡信息服務的影響。
在網絡日益普及的今天，我們已經漸漸習慣于從網上獲得信息和服務，但是同時也經常為服務響應速度的遲緩而煩惱。網絡信息服務絕不是我們通常想象的找一臺微機服務器，建個網站就能成的事。要面對數千萬、數億用戶的訪問請求，服務器必須有強大的數據吞吐和處理能力。這又是高性能計算機發揮作用的舞臺。高性能服務器每秒種可以處理數千萬乃至數億次服務請求，及時提供用戶所需要的信息和服務，保證服務質量。
3對制造業的推動。
我國是一個制造業大國，被人們稱為“世界工廠”。高性能計算在制造業的廣泛使用，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，而且可以在仿真基礎上全面規劃整個制造過程，有效提高產品制造的質量和產量。基于高性能計算的全數字化設計制造環境在縮短產品設計周期、節能降耗、降低污染、提高產品質量方面的作用不可限量。用高性能計算能力武裝起來的制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。
以高性能計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數據的基礎上，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。現在的高性能計算機的速度還不足以讓我們在全球范圍以精確的尺度達到這個目的。
高性能計算機發展趨勢：
高性能計算機與網格研究的關系1.高性能計算機(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、系統軟件等。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用戶的廣泛關注與試用，向成為高性能計算機系統的使用門戶(Portal)的方向發展。3.數據與信息網格提供各種應用系統的開發使用平臺，具有資源共享、動態交互與集成等特征，是網格技術研究與發展的主要方面。
高性能計算機的使用模式
1.從傳統集中使用(高性能計算中心)向集成化(與其他設備)、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.高性能計算機用戶與普通計算機(服務器、PC)一樣，關心TOCinlifeCycle及TOCinprojectperiods。
3.按需計算(部分計算力、聯合計算)、制造成本(10-100倍于傳統PCcluster)、運行成本(體積、功耗)等要求對新一代高性能計算機的研發提出挑戰。
HPC體系結構向超大規模并行、多級存儲結構及混合粒度編程的方向發展
1.實現Petaflops計算性能的HPC需要10,000-100,000CPUCore(處理器模塊)以并行方式連接起來。相對今天幾千個CPU構成的系統結構，超大規模并行在節點、連接與存儲等方面需要創新。2.CPU與Memory之間的性能“差距”(Bandwidth,Latency)通過多級存儲結構(memoryhierarchy)進行擬合。3.粗中細粒度混合編程模型充分挖掘問題本身的并行性的前提下，發揮超大規模系統的運行效率。
當前制約我國高性能計算發展的主要因素有：
1.核心技術不足。我國制造的高性能計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于國外。在高性能計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，高性能計算機的應用目標往往是解決綜合性、系統性的復雜問題，涉及多個領域。開發一個好的高性能計算應用涉及應用問題抽象、模型建立、并行算法研究、并行程序實現、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，以至于這類人才奇缺。不同學科的科技人員之間的交流和合作機制又不健全，造成懂高性能計算機的人不懂應用，而了解應用的人又不知道如何用高性能計算的方法來解決問題的局面。
3.應用軟件匱乏我國長期以來存在的重硬件、輕軟件的現象在高性能計算領域格外突出，影響更大。對于高性能計算機而言，缺乏合適的應用軟件就根本無法開展相應的應用，也無法吸引用戶來使用高性能計算機。高性能計算機上運行的應用軟件專業性強，價格昂貴，國內應用部門每年都花費大量經費，采購應用軟件，但是這種采購一般是分散進行的，缺少相互協調，因此國家整體布局還不盡合理，有些軟件多個部門重復采購，而另一些急需的軟件又沒人購買。另外，單個部門購買軟件的規模往往有限，不能與并行硬件的規模相適應。這些軟件的所有權和使用權屬于采購的部門，不同部門擁有的軟件難以交流和共享。此外，很多國外的應用軟件都和國外的高性能計算機系統綁定，這就迫使我國的用戶在采購軟件的同時必須選用國外的硬件系統，嚴重影響國產高性能計算機的推廣應用和我國高性能計算機產業的成長壯大。
4資源分布不均勻，國內高性能計算機主要分布在科研院所、大學以及石油勘探、氣象預等應用部門，地域分布也不均勻。資源分布的不均勻和資源訪問的困難，使得不少高性能計算的潛在用戶放棄了應用的打算。在經濟效益不夠好的傳統產業尤其如此。這種資源分布的不均勻性一方面使需要資源的用戶難以獲得資源，另一方面也造成寶貴資源的閑置和浪費。
解決辦法：
高性能計算(HighPerformanceComputing)是計算機科學的一個分支，主要是指從體系結構、并行算法和軟件開發等方面研究開發高性能計算機的技術。隨著計算機技術的飛速發展，高性能計算機的計算速度不斷提高，其標準也處在不斷變化之中。
我國的高性能計算事業必須走可持續均衡發展的道路。高性能計算是昂貴的，不僅有設備的初始投入，而且有場地條件、電力消耗、運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，以此推動高性能計算的發展。強調應用需求牽引并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，支持用戶共享使用Internet中的各類資源;網格允許用戶克服地理的障礙，更便捷地獲得高性能計算的能力;網格簡化高性能計算機的使用方式，使更多的普通用戶能夠利用高性能計算機的能力去解決過去難以解決的問題，擴大了高性能計算機的應用范圍。需要強調的是，高性能計算的技術創新有賴于國家持續的支持，以保證足夠的研究經費和一支高水平精干的研究隊伍。高性能計算人才的培養是一項長期的艱巨任務，不僅要通過改革高校的學科劃分和專業設置來加強高性能計算復合型人才的培養，還要通過應用系統的開發，培養和鍛煉各個行業與領域熟悉高性能計算的人才，只有這樣才能真正保證高性能計算及應用的可持續發展。
參考文獻：
1.百度百科
2.《高性能計算機發展現狀及機遇到的問題》
3.《高性能計算機的發展趨勢》樊建平