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  • 计算机存储结构分析

    千次阅读 2018-04-06 21:34:10
    计算机存储结构分析图注:此图及其重要,它可以帮你很清晰的理解程序数据执行的流程,以及CPU的调度机制。一、寄存器寄存器:是中央处理器(CPU)中的一部分,有限存贮容量的高速存贮部件(空间比较小在kb级别),...

    计算机存储结构分析图

    这里写图片描述

    注:此图及其重要,它可以帮你很清晰的理解程序数据执行的流程,以及CPU的调度机制。

    一、寄存器

    寄存器:是中央处理器(CPU)中的一部分,有限存贮容量的高速存贮部件(空间比较小在kb级别),用来暂存指令、数据和地址。CPU对内存中的数据进行处理时,往往先把数据取到寄存器中,而后再作处理,加快直接同内存读取指令和读写数据的速度。

    二、高速缓冲存储器

    高速缓冲存储器:是存在于内存与CPU之间的存储器,容量比较小但速度比内存高得多(比寄存器要慢1倍左右,但是空间可以达到MB级别),接近于CPU的速度。高速缓存是加速读取速度的一个桥梁(工具)。CPU向内存读取数据时,首先查询缓存区是否有对应数据,如果有则直接读取,没有再从内存中读取。高速缓存中存储的都是内存中的数据,这部分数据是CPU访问比较频繁的部分。

    系统会动态管理缓存中的数据,如果有数据访问频率降低到一定值,就从缓存中移除,而将内存中访问更加频发的数据替换进去。(高速缓存可以不只一级,可以有多级缓存区)
    三、内存

    内存:是计算机运行过程中的存储主力,用于存储指令(编译好的代码段),运行中的各个静态,动态,临时变量,外部文件的指针等等。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的,因此内存的性能对计算机的影响非常大,用于暂时存放CPU中的运算数据,以及与硬盘等外部存储器交换的数据,CPU会把需要运算的数据调到内存中进行运算,当运算完成后CPU再将结果传送出来,内存的运行也决定了计算机的稳定运行。

    前面提到的寄存器和高速缓存只是加速存储速度的中间部件,原始运行文件肯定都是先加入到内存中的,因此内存的大小决定了一个可运行程序的最大大小,但是内存比缓存要慢10倍左右,但是空间可以达到GB级别、甚至更高。

    举例:如果内存大小是4G,一个程序装入内存需要大于4G空间的话,该程序是无法运行的,当然实际是还要去掉操作系统占用的内存,因此连4G都无法满足的。(当然现在有了虚拟内存,也就是将硬盘的一部分映射为内存空间,将不经常访问的指令放到虚拟内存中,这样其实是支持大于4G的程序的,这里只是在假设没有虚拟内存的情况下的举例说明)。

    四、硬盘

    硬盘:是空间大,价格便宜,并且掉电数据不丢失。常常用来存储需要永久存储的文件。

    五、其他存储器

    其他存储器:u盘、光盘等便携式存储器,便于携带。
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  •  一个计算机包含多种存储器比如:寄存器、高速缓存、内存、硬盘、光盘等,为啥有这么多种存储方式,对于不太了解的人,总是觉得云里雾里的,搞不明白原因。  计算机主要的功能就是运算(cpu),但是要完成一个...

    前言  

             一个计算机包含多种存储器比如:寄存器、高速缓存、内存、硬盘、光盘等,为啥有这么多种存储方式,对于不太了解的人,总是觉得云里雾里的,搞不明白原因。

            计算机主要的功能就是运算(cpu),但是要完成一个任务,就要读取运算指令,并将结果输出给用户;因此,指令的存储、运算过程中中间状态的存储、结果的保存等都需要存储器。

    第一代计算机,接收指令是通过读取穿孔卡片来实现的,这个穿孔卡片就可以理解为最老的用来存储命令的存储器。

    理想状态下,存储器的执行速度应该快过计算机的运算速度,这样才可以最大化的利用cpu的计算能力。比如:cpu的运算速度是每秒100条指令,但是如果存储器的速度是每秒最多能读取10条指令,那么cpu就有90%的时间是等待指令; 这样的存储器是有的,那就是寄存器,寄存器是和cpu同样材质制作的,速度和cpu一样快,当然价格也就和cpu一样了。

    但是如果一台计算机,存储器都是寄存器的话,那造出来的计算机,肯定就是天价了,普通人都买不起。计算机的设计着综合:读写速度,空间大小,产品价格等因素采用了分层结构来实现,取了一个性价比最好的方案。

    分层结构

    如下所示,顶层的存储器(寄存器)读写速度较高,但是空间较小。底层的读写(比如硬盘)速度较低,但是空间较大。

    寄存器和cpu速度相当,空间比较小在kb级别。      

    高速缓存比寄存器要慢1倍左右,但是空间可以达到MB级别。

    内存比缓存要慢10倍左右,但是空间可以达到GB级别,当前个人电脑一般都不小于4G

    硬盘这个速度更慢,比内存要慢上万被,千万被级别,但是价格也比较偏移,空间也很大。

    其他存储光盘,软盘,usb外接的其他存储器,作为硬盘的一个补充,有便于携带的优点

     

    总结:计算机的存储设计的这么复杂,并不是设计者故意要搞得麻烦,而是要兼顾性能和价格综合考量的一个因素,如果未来有一个存储产品,能达到当前寄存器的读取性能,而又可以做的空间极大,并且价格和硬盘一样,或者说比硬盘还便宜,且数据是掉电不丢失的话,那么计算机的存储结构肯定就被简化了,直接就只有一个存储器。

     

    小贴士:现在买电脑时,存储器上,大家主要关注在了 内存大小和硬盘大小,但是从分层结构图上,可以看出缓存大小更加重要,(当然如果厂商公布寄存器大小的话,这个也要关注)。

    寄存器

    寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域,用来暂时存放参与运算的数据和运算结果,寄存器虽然也能存储数据,但同内存等存储器相比,寄存器又有自己独有的用途:其主要是CPU对内存中的数据进行处理时,往往先把数据取到寄存器中,而后再作处理,加快直接同内存读取指令和读写数据的速度。

    高速缓存

    高速缓冲存储器是存在于内存与CPU之间的存储器,容量比较小但速度比内存高得多, 接近于CPU的速度。高速缓存是是加速读取速度的一个桥梁(工具)。CPU向内存读取数据时,首先查询缓存区是否有对应数据,如果有则直接读取,没有再从内存中读取。高速缓存中存储的都是内存中的数据,这部分数据是cpu访问比较频繁的部分。

    系统也会动态管理缓存中的数据,如果有数据访问频率降低到一定值,就从缓存中移除,而将内存中访问更加频发的数据替换进去。(高速缓存可以不只一级,可以有多级缓存区)

    内存

    这个才是计算机运行过程中的存储主力,用于存储 指令(编译好的代码段),运行中的各个静态,动态,临时变量,外部文件的指针等等。

    前面提到的寄存器和高速缓存只是加速存储速度的中间部件,原始运行文件肯定都是先加入到内存中的,因此内存的大小决定了一个可运行程序的最大大小。

    举例:如果内存大小是4G,一个程序装入内存需要大于4G空间的话,改程序是无法运行的,当然实际是还要去掉操作系统占用的内存,因此连4G都无法满足的。(当然现在有了虚拟内存,也就是将硬盘的一部分映射为内存空间,将不经常访问的指令放到虚拟内存中,这样其实是支持大于4G的程序的,这里只是在假设没有虚拟内存的情况下的举例说明)。

    硬盘

    硬盘这个东西,大家应该都比较熟悉,其优点是空间大,价格便宜,并且掉电数据不丢失。常常用来存储需要永久存储的文件。

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  • 计算机体系结构——存储层次结构

    千次阅读 2020-12-16 11:34:01
    存储层次结构(塔式结构) 数据只有在第i+1层存在,才会在第i层 存储层次结构存在的合理性 主要基于程序访问的局部性特点。在较短时间内,程序所用地址往往集中在存储器的很小范围内 时间局部性:刚被访问过的存储...

    1. 存储器层次结构

    • 工作过程:
    1. CPU运行时,寄存器
    2. cache
    3. 主存
    4. 外存
    • 存储层次结构(塔式结构)

    1. 数据只有在第i+1层存在,才会在第i层被访问
    • 存储层次结构存在的合理性

    主要基于程序访问的局部性特点。在较短时间内,程序所用地址往往集中在存储器的很小范围内

    可以调访存速率,但是如果程序的据

    平均访问时间(命中率)

    • 程序局部性原理
    1. 时间局部性
      刚被访问过的存储单元很可能不久又被访问,通常体现在循环执行的指令。
      做法:让最近被访问过的信息保留在靠近CPU的存储器中
    2. 空间局部性
      刚被放翁过的存储单元的邻近丹云很有可能不久被访问,通常体现在顺序执行的指令
      做法:将刚被访问的存储单元的邻近单元调到靠近CPU的存储器

    2. Cache

    参考链接:https://blog.csdn.net/qq_39815222/article/details/115560851

     

     

     

     

     

     

     

     

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  • 计算机存储系统

    2015-09-10 19:44:00
    计算机 存储系统
  • CPU 速度最快 内部是寄存器 ...我们买手机经常会看到 什么 4+64 8+128 诸如此类的存储空间,4和8指的是运行内存,也就是我们平常说的主存,是个临时存放CPU需要运行的数据的区域,而128指的...

    CPU 速度最快 内部是寄存器
    |
    CACHE(高速缓冲器) 速度第二快
    |
    内存 速度第三快
    |
    外存 速度最慢

    所谓速度是指他们的读写速度。
    我们买手机经常会看到 什么 4+64 8+128 诸如此类的存储空间,4和8指的是运行内存,也就是我们平常说的主存,是个临时存放CPU需要运行的数据的区域,而128指的就是外存,就是计算机本身的存储空间,你的硬盘,光盘等等存储结构都是属于外存。当我们使用计算机手机执行某种功能的时候,实际上就是CPU处理数据的过程,而数据往往最开始都存储在内存和外存之中,因为CPU操作的速度很快,所以很可能会出现读取和写入的速度跟不上CPU处理的速度,因为CPU所需要的数据是放在内存中的。
    为了加快对数据的读取速度,这个时候引入了CACHE高速缓冲区,这个告诉缓冲区的容量是很小的,它可以暂时存取一些CPU所需执行的数据,例如我们都知道,在一个程序代码中,往往输入和输出都只执行一次,但是遇到了循环体例如for,while等等,其实是对同一个逻辑执行很多次,这个时候把这段代码所需要的数据暂时放在缓冲区中,CPU就不用每次都通过内存读取数据,而是直接和CACHE交互就可以了。

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    引用: https://blog.csdn.net/wireless_com/article/details/79021511,并在原文基础上加上了相关信息存储... 存储的领域可以分为两个部分,一个是存储技术,一个是存储层级结构,我们先看下存储技术。从计算机结...
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计算机存储结构