计算机组成原理漫谈的相关论文

随着计算机和微电子技术的发展，存储器无论是其器件还是体系结构都发生了很大的变化。存储器是计算机的主要部件之一，其容量，速度，价格是存储器设计时所要考虑的三个要素现在有的速度快，但容量小;有的容量大，但速度慢。下面是小编为大家整理的计算机组成原理漫谈的相关论文，希望大家喜欢!

计算机组成原理漫谈的相关论文篇一

《计算机系统的存储器体系结构》

【摘要】：存储器是信息存放的载体，是计算机系统的重要组成部分。有了存储器计算机才有记忆的功能，才能把要计算和处理的数据以及程序存入计算机，使计算机能够脱离人的直接干预，自动工作。显然，存储器的容量越大，存放的信息就越多，计算机体系的功能也就越强。在计算机中，大量的操作是CPU与存储器交换信息。但是，存储器的工作速度相对于CPU总是要低1至2个数量级。因此，存储器的工作速度又是影响计算机系统数据处理速度的主要因素。为了使容量，速度与成本适当折衷，现代计算机系统都是采用多级存储体系结构：主存储器(内存储器)，辅助)(外)存储器以及网络存储器。

【关键词】：内存(memory),MPU(寄存器Register)，外存设备，RAM，ROM,Cache存储器。

【正文】

随着计算机和微电子技术的发展，存储器无论是其器件还是体系结构都发生了很大的变化。存储器是计算机的主要部件之一，其容量，速度，价格是存储器设计时所要考虑的三个要素现在有的速度快，但容量小;有的容量大，但速度慢。一般而言，速度快的存储器容量小，位价格高。存储器一般分为内存(memory),MPU(寄存器Register),外存设备。

所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，在存储系统多级层次结构中，由上向下分三级，其容量逐渐增大，速度逐级降低，成本则逐次减少。整个结构又可以看成两个层次：它们分别是主存一辅存层次和cache一主存层次。这个层次系统中的每一种存储器都不再是孤立的存储器，而是一个有机的整体。它们在辅助硬件和计算机操作系统的管理下，可把主存一辅存层次作为一个存储整体，形成的可寻址存储空间比主存储器空间大得多。由于辅存容量大，价格低，使得存储系统的整体平均价格降低。由于Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美，故cache一主存层次可以缩小主存和cPu之间的速度差距，从整体上提高存储器系统的存取速度。尽管Cache成本高，但由于容量较小，故不会使存储系统的整体价格增加很多。综上所述，一个较大的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成，是一个具有多级层次结构的存储系统。该系统既有与CPU相近的速度，又有极大的容量，而成本又是较低的。其中高速缓存解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和价格之间的矛盾。

寄存器(Register)存在于CPU中，直接服务于运算器和控制器，是CPU工作的直接对象，是工作最繁忙的存储器。寄存器的数据存储也是以字节为单位，但根据CPU的字长及工作需要，也可以操作某个位或多个字节。寄存器和运算器，控制器等集成在一起，通过CPU内部总线连接在一起，它们同步工作，寄存器是工作速度最快的存储器。

内存Memory和CPU之间通过系统总线直接连接在一起，由CPU直接控制内存的读写操作。内存的基本存储方式是存储单元(MemoryUnit)一个字节Byte长度，8个二进制位Bit。一个计算机系统的所有内存构成一个完整的连续的存储空间，物理地址从0开始连续编址。CPU在访问内存空间中的存储单元时可以随机访问，只需指定其物理地址即可。CPU在读写内存时总是以1/2/4个字节为单位进行，在此基础上可通过寄存器获取其中某个二进制位的数据/状态。单个字节Byte的数据由8位数据构成，D7~D0(最高位~最低位)。两个字节数据合在一起称为字Word,由D15~D0(最高位~最低位)共16位数据构成。四个字节数据合在一起称为双字DWord，由D31~D0(最高位~最低位)共32位数据构成。从低字节到最高字节依次存放在模4地址开始的四个存储单元中，用低字节的地址访问整个双字的所有4字节数据。，存储器有可靠性(MTBF)，工作电压和功率消耗低。

内存的分类：RAM———RandomAccessMemory随机访问存储器———计算机的主要场所。主要特点：可读写，临时性，易失性，容量大，低电压，速度快，低功耗。主要类型：SRAM(静态)和DRAM(动态)。SRAM：速度快，容量限制，构成复杂，功耗大，成本高——用作Cache。DRAM：速度慢，容量大，构成复杂，功耗大，成本低——用作主存。ROM———ReadOnlyMemory只读存储器——计算机不可缺少的辅助内存。只读，永久性，非易失性，容量小，速度慢，功耗大，使用不便。主要类型：掩模式ROM,PROM,EPROM,E2PROM,FlashROM——数据的擦除和写入方式不同。

只读存储器(ROM)是一种工作时只能读出，不能写入信息的存储器。在使用ROM时，其内部信息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序、BIOS程序等。只读存储器(ROM)的特点是非易失性，即它所存储的信息一经写入，就可以长久保存，不受电源断电的影响，即使掉电后存储信息仍不会改变，十分可靠。按存储单元的结构和生产工艺的不同，只读存储器ROM又可分为：掩膜只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、光可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)。

外存和外设：外存通过外存接口连接到系统总线，在CPU的控制下完成数据的读写操作。不同的外存工作原理不同，具体的数据读写过程和方式也不相同，但外存属于块存储器，一般采用特定方式通过总线与内存交换数据。各种外设I/O设备也可以看作是特定的外存。反之，各种外设也属于I/O设备。内存是动态存储器，不能永久大量数据，必须通过外存实现更大容量数据的永久性保存。

Cache存储器：多级Cache技术——L1Cache，L2Cache,L3Cache。衡量Cache工作效率的主要指标——命中率，控制策略，数据查找模式等。为了提高Cache的效率，当前在L1Cach中普遍实现了数据(D-Cache)和(L-Cache)分开缓存的技术，L2和L3大多还是数据和指令混合缓存。大幅度提高Cache的容量也能明显改善系统效率。有些外设设备也采用了Cache技术，用来提高和内存之间交换数据的效率，如硬盘等。Intel从1985年为80386CPU提供Cache支持，如今在至强系列XEONCPU中Cache技术发挥到极致。文中主要介绍了存储器体系结构，它是计算机的存储器件，它可以与CPU连接交换数据，也可以用来保存数据。计算机每执行完一条指令，至少都要访问一次存储器。还有它的分类、层次结构、随机存储器RAM和只读存储器ROM的基本知识结构、工作原理等内容，还要从应用的角度介绍存储器容量的形成与CPU的连接，还有辅助存储器及一些新的的技术。

辅助存储器用来存放当前暂时不用的程序或数据，需要时再成批地调入主存。它属于外部设备，因此，又称其为外存储器。常用的辅助存储器有软盘、硬盘和光盘存储器等。

1.软盘存储器及其接口

软盘存储器是在聚脂薄膜圆形基片上涂一层磁性材料而形成。以体积小、价格低、结构简单、易于维护、携带方便和对环境要求不高等优点而得到广泛应用。按软盘驱动器的性能可分为单面盘和双面盘。

(1)主要技术指标如下：

磁道：磁盘上的记录面分成许多以盘片中心为圆心的同心圆，每个圆称为一个磁道(Track)。

道密度：沿磁盘径向单位长度上的磁道数称为“道密度”。常用每英寸上的磁道数来表示。

位密度：磁道上数据的记录密度称为“位密度”。常用每英寸长度上所记录的的位单元数来表示。

扇区：磁道再划分成许多小的存储区，每个存储区称为扇区(sector)。

(2)软盘驱动器(FDD)

软盘驱动器主要完成对磁盘的读写工作，由软盘驱动机构和读写控制电路组成。

软盘驱动机构可分为：盘片定位机构;软盘驱动装置;控制磁头寻道定位部件;状态检测部件。

读写控制电路可分为：读出放大电路;写电路;抹电路。

(3)软盘控制器

软盘控制器的功能是解释来自主机的命令并向软盘驱动器发出各种控制信号，同时还要检测驱动器的状态，按规定的数据格式向驱动器读写数据等。具体操作如下：

寻道操作：将磁头定位在目标磁道上。寻道前，主机将目标道号送往磁盘控制器暂存，目标道号与磁头所在道号进行比较，决定磁头运动的道数和方向。地址检测：主机将目标地址送往软盘控制器，控制器从驱动器上按记录格式读取地址信息并与目标地址进行比较，找到读写信息的磁盘地址。

读数据：首先检测数据标志是否正确，然后将数据字段的内容送入内存，最后进行CRC校验。

写数据：写数据时不仅要将原始信息经编码后写入磁盘，同时要写上数据区标志和CRC校验码以及间隙。如果原始信息写不满一个区段，自动插入全‘0’。初始化：在盘片上写格式化信息，对每个磁道划分区段。软盘控制器主要由以下几部分组成：

数据总线缓冲器：用于缓冲主机送来的并行数据。缓冲器中的数据再通过内部总线与寄存器中的信息进行传送。

读写DMA控制逻辑：主要功能是进行读写和DMA控制。采用DMA方式传送数据时，此部分可产生数据请求(DRQ)信号，借助DMA控制芯片向CPU申请总线控制。CPU响应后，让出总线控制权，接着转入DMA数据传送。

串行接口控制器：主要用来控制读写的各种信号。当采用双密记录方式写入数据时，引入补偿电路;读出时，引入锁相电路，分离出数据。

驱动器接口控制器：用来控制输入/输出的各种信号。

内部寄存器：用来存放软盘控制器芯片的状态、数据、命令和参数。新型存储器技术。

1.多体交叉存储器

多体交叉存储器的设计思想是在物理上将主存分成多个模块，每一个模块都包括一个存储体、地址缓冲寄存器和数据缓冲寄存器等，即它们都是一个完整的存储器。因此，CPU就能同时访问各个存储模块，任何时候都允许对多个模块并行地进行读写操作，从而提高整个存储系统的平均访问速度。

多体交叉存储器是利用主存地址的低K位来选择模块(可确定2K个模块)，高m位用来指定模块中的存储单元，这样连续的几个地址就位于相邻的几个模块中，而不是在同一个模块中，故称为“多体交叉编址”。于是CPU要访问主存的几个连续地址时，可使这几个模块同时工作，使整个主存的平均利用率得到提高。

2.闪速存储器

闪速存储器的英文名称为FlashMemory，有时也译为“快闪存储器”。它既有EPROM价格便宜、集成度高的优点，又有E2PROM的电可擦除性、可重写性，具有可靠的非易失性，重写速度较快，对于需要实施代码或数据更新的嵌入性应用是一种理想的存储器。

3.高速缓冲存储器Cache

高速缓冲存储器(Cache)位于CPU与存储容量较大但操作速度较慢的主存之问，可以提高CPU访问存储器时的存取速度，减少处理器的等待时间，使程序员能使用一个速度与CPU相当而容量与主存相当的存储器。

高速缓冲存储器(Cache)是根据程序的局部性原理，即在一个较小时间间隔内，程序所要用到的指令或数据的地址往往集中在一个局部区域内，因而对局部范围内的存储器地址频繁访问，而对此范围外的地址则访问甚少，这就称为程序访问的局部性原理。

虚拟存储器

虚拟存储器(VirtualMemory)是以存储器访问的局部性为基础，建立在主存一辅存物理体系结构上的存储管理技术。它是为了扩大存储容量，把辅存当作主存使用，在辅助软、硬件的控制下，将主存和辅存的地址空问统编址，形成个庞大的存储空间。程序运行时，用户可以访问辅存中的信息，可以使用与访问主存同样的寻址方式，所需要的程序和数据由辅助软件和硬件自动调入主存，这个扩大了的存储空间，就称为虚拟存储器。

【参考文献】：

[1]《微机原理与接口技术》杨邦华马世伟王健刘延章编著

[2]白巾英.计算机组成原理(第三版)[M].北京：科学出版社，2000.

[3]李学干.计算机系统结构[M].北京：经济科学出版社，2000.

[4]唐朔飞.计算机组成原理[M].北京：高等教育出版社，1999

计算机组成原理漫谈的相关论文篇二

《如何制造高性能计算机》

摘要：高性能计算机是衡量一个国家综合国力的重要标志，是国家信息化建设的根本保证。发展高性能计算机，可以带动科学技术的进步，解决国民经济建设、社会发展进步、国防建设与国家安全等方面一系列的挑战性问题，促进我国相关产业的快速发展。高性能计算机与我们生活息息相关，文章总结了国内外高性能计算机发展现状及发展趋势，阐述了高性能计算机的重要性，并总结了我国目前发展高性能计算机面临的问题，最后提出如何制造高性能计算机所遇到问题的解决办法。

关键词：高性能计算机;重要性;发展趋势;存在问题;解决办法

正文：

高性能计算机概念：

高性能计算概述高性能计算(英文highperformancecomputing，缩写HPC)指通常使用很多处理器(作为单个机器的一部分)或者某一集群中组织的几台计算机(作为单个计算资源操作)的计算系统和环境。有许多类型的HPC系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自InfiniBand或Myrinet的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。

高性能计算机的重要性：

高性能计算机是衡量一个国家综合国力的重要标志，是国家信息化建设的根本保证。发展高性能计算机，可以带动科学技术的进步，解决国民经济建设、社会发展进步、国防建设与国家安全等方面一系列的挑战性问题，促进我国相关产业的快速发展。衡量高性能计算机的水准主要是看其计算能力。60年前，当每秒能完成数千次运算的第一台数字计算机诞生时，它就是当时最高计算能力的体现。近30年来，计算机的运算速度平均每10年就要翻1000倍，这比我们通常说的每18个月翻一番的摩尔定律速度还要快。在进入新世纪的今天，恐怕每秒5万亿次到10万亿次的运算速度只能算是高性能计算机入门的门槛高性能计算机与大众生活息息相关高性能计算机一般都和科学研究联系在一起，小到原子结构的分析，大到宇宙起源模拟，到处都需要高性能计算机。但是，高性能计算机的应用决不仅限于此。在和人民大众生活息息相关的各个领域。在和人民大众生活息息相关的各个领域，我们都可以看到高性能计算机的身影：

1对新药研制的促进。

在与疾病作斗争的过程中，我们需要新的药品。研制一种新药从化合物筛选到临床试验，一般需要10到15年的时间。在化合物筛选阶段，对于数十万种化合物，用传统的实验手段，筛选出有效的化合物需要花费大量资金购买化合物，需要几年的实验时间，而且筛选—的范围受到金钱和时间限制，难以得到最佳的结果。现在使用高性能计算机这个工具，以计算机模拟的手段，科学家可以在较短的时间内从几十万甚至几百万种化合物中筛选出有效的药物化合物，这不仅节省了购买真实化合物的大量资金，而且大大缩短了药物研发的周期。

2对网络信息服务的影响。

在网络日益普及的今天，我们已经渐渐习惯于从网上获得信息和服务，但是同时也经常为服务响应速度的迟缓而烦恼。网络信息服务绝不是我们通常想象的找一台微机服务器，建个网站就能成的事。要面对数千万、数亿用户的访问请求，服务器必须有强大的数据吞吐和处理能力。这又是高性能计算机发挥作用的舞台。高性能服务器每秒种可以处理数千万乃至数亿次服务请求，及时提供用户所需要的信息和服务，保证服务质量。

3对制造业的推动。

我国是一个制造业大国，被人们称为“世界工厂”。高性能计算在制造业的广泛使用，不仅可以帮助工程师在设计阶段更科学地计算材料强度，更合理地选择和使用材料，设计出更符合空气和流体动力学原理和人体工程的产品结构和外形，而且可以在仿真基础上全面规划整个制造过程，有效提高产品制造的质量和产量。基于高性能计算的全数字化设计制造环境在缩短产品设计周期、节能降耗、降低污染、提高产品质量方面的作用不可限量。用高性能计算能力武装起来的制造业必然能更快速地应对市场的动态需求，提高自身的竞争能力。

4工农业生产和人民生活需要精确的天气预报。

以高性能计算为基础的气象和气候数值预报是精确天气预报的基础。我们知道，地球连同它的大气层是一个大系统，它的内部以及它与宇宙空间，特别是与太阳之间的能量交换与转换决定了地球上的气候状况。如果我们能够在观察数据的基础上，精确地计算和模拟出这个系统内能量转换的过程，我们就可以精确地预测天气的变化。现在的高性能计算机的速度还不足以让我们在全球范围以精确的尺度达到这个目的。

高性能计算机发展趋势：

高性能计算机与网格研究的关系1.高性能计算机(HPC)与网格向分化与共生方向发展。HPC以科学计算为主，实现Petaflops计算机系统是现阶段的主要追求目标，研究领域包括新体系结构、新器件技术、系统软件等。2.计算网格作为一种廉价、易得的计算资源，受到应用科学家及普通用户的广泛关注与试用，向成为高性能计算机系统的使用门户(Portal)的方向发展。3.数据与信息网格提供各种应用系统的开发使用平台，具有资源共享、动态交互与集成等特征，是网格技术研究与发展的主要方面。

高性能计算机的使用模式

1.从传统集中使用(高性能计算中心)向集成化(与其他设备)、网格化(其它计算中心)及按需计算(租借计算力)的方向发展。

2.高性能计算机用户与普通计算机(服务器、PC)一样，关心TOCinlifeCycle及TOCinprojectperiods。

3.按需计算(部分计算力、联合计算)、制造成本(10-100倍于传统PCcluster)、运行成本(体积、功耗)等要求对新一代高性能计算机的研发提出挑战。

HPC体系结构向超大规模并行、多级存储结构及混合粒度编程的方向发展

1.实现Petaflops计算性能的HPC需要10,000-100,000CPUCore(处理器模块)以并行方式连接起来。相对今天几千个CPU构成的系统结构，超大规模并行在节点、连接与存储等方面需要创新。2.CPU与Memory之间的性能“差距”(Bandwidth,Latency)通过多级存储结构(memoryhierarchy)进行拟合。3.粗中细粒度混合编程模型充分挖掘问题本身的并行性的前提下，发挥超大规模系统的运行效率。

当前制约我国高性能计算发展的主要因素有：

1.核心技术不足。我国制造的高性能计算机在核心技术上虽有不少突破，但仍然在很大程度上依靠于国外。在高性能计算机体系结构和关键技术上投入的研究经费和研究力量不足，阻碍我国在该领域的创新。2.人才不足，高性能计算机的应用目标往往是解决综合性、系统性的复杂问题，涉及多个领域。开发一个好的高性能计算应用涉及应用问题抽象、模型建立、并行算法研究、并行程序实现、应用系统测试验证等多个阶段，需要熟悉应用和计算的“多面手”型人才需要不同学科、不同技术背景的人员的密切合作。而我国高校目前的专业划分难以培养既熟悉先进计算机技术，又熟悉应用领域问题的人才，以至于这类人才奇缺。不同学科的科技人员之间的交流和合作机制又不健全，造成懂高性能计算机的人不懂应用，而了解应用的人又不知道如何用高性能计算的方法来解决问题的局面。

3.应用软件匮乏我国长期以来存在的重硬件、轻软件的现象在高性能计算领域格外突出，影响更大。对于高性能计算机而言，缺乏合适的应用软件就根本无法开展相应的应用，也无法吸引用户来使用高性能计算机。高性能计算机上运行的应用软件专业性强，价格昂贵，国内应用部门每年都花费大量经费，采购应用软件，但是这种采购一般是分散进行的，缺少相互协调，因此国家整体布局还不尽合理，有些软件多个部门重复采购，而另一些急需的软件又没人购买。另外，单个部门购买软件的规模往往有限，不能与并行硬件的规模相适应。这些软件的所有权和使用权属于采购的部门，不同部门拥有的软件难以交流和共享。此外，很多国外的应用软件都和国外的高性能计算机系统绑定，这就迫使我国的用户在采购软件的同时必须选用国外的硬件系统，严重影响国产高性能计算机的推广应用和我国高性能计算机产业的成长壮大。

4资源分布不均匀，国内高性能计算机主要分布在科研院所、大学以及石油勘探、气象预等应用部门，地域分布也不均匀。资源分布的不均匀和资源访问的困难，使得不少高性能计算的潜在用户放弃了应用的打算。在经济效益不够好的传统产业尤其如此。这种资源分布的不均匀性一方面使需要资源的用户难以获得资源，另一方面也造成宝贵资源的闲置和浪费。

解决办法：

高性能计算(HighPerformanceComputing)是计算机科学的一个分支，主要是指从体系结构、并行算法和软件开发等方面研究开发高性能计算机的技术。随着计算机技术的飞速发展，高性能计算机的计算速度不断提高，其标准也处在不断变化之中。

我国的高性能计算事业必须走可持续均衡发展的道路。高性能计算是昂贵的，不仅有设备的初始投入，而且有场地条件、电力消耗、运行维护和人员队伍建设等多种费用。因此，一定要切实从应用需求出发，大力促进应用的进步，以此推动高性能计算的发展。强调应用需求牵引并不是忽视技术的推动作用。技术的进步可以创造新的应用，调动新的应用需求。网格以其资源共享、协同工作的固有能力和网格服务的形式，支持用户共享使用Internet中的各类资源;网格允许用户克服地理的障碍，更便捷地获得高性能计算的能力;网格简化高性能计算机的使用方式，使更多的普通用户能够利用高性能计算机的能力去解决过去难以解决的问题，扩大了高性能计算机的应用范围。需要强调的是，高性能计算的技术创新有赖于国家持续的支持，以保证足够的研究经费和一支高水平精干的研究队伍。高性能计算人才的培养是一项长期的艰巨任务，不仅要通过改革高校的学科划分和专业设置来加强高性能计算复合型人才的培养，还要通过应用系统的开发，培养和锻炼各个行业与领域熟悉高性能计算的人才，只有这样才能真正保证高性能计算及应用的可持续发展。

参考文献：

1.百度百科

2.《高性能计算机发展现状及机遇到的问题》

3.《高性能计算机的发展趋势》樊建平