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  • 内存 寄存器 速度 高速缓存
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    2020-04-10 15:39:16

    寄存器是CPU内部的存储器,用于存储等待抄处理计算的指令或数据,当然速度是最快的;其次是二级缓存,由于cpu的速度快于内存,为了提高计算机的速度,设置了一级、二级缓存,用于固化存储常用指令,速度其次;然后就是内存了;最后是硬盘

     

    寄存器 > 二级缓存 > 内存 > 硬盘

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    计算机存储器的金字塔层次结构,参考这里
    CPU、内存、硬盘的关系:硬盘用来存储我们的程序和数据,当我们运行程序的时候,CPU首先接受到我们的命令,之后CPU是告诉硬盘,我要运行你存储的程序A,你把程序A送到内存去。CPU对内存说,我让硬盘把程序A送到你这里来了,你保存一下。 等程序A被完整的送到内存之后。CPU就开始执行程序A。
    CPU 并不会直接和每⼀种存储器设备直接打交道,⽽是每⼀种存储器设备只和它相邻的存储器设备打交道。⽐如,CPU Cache 的数据是从内存加载过来的,写回数据的时候也只写回到内存,CPU Cache 不会直接把数据写到硬盘,也不会直接从硬盘加载数据,⽽是先加载到内存,再从内存加载到 CPU Cache 中。
    当 CPU 需要访问内存中某个数据的时候,如果寄存器有这个数据CPU就直接从寄存器读取,如果寄存器没有这个数据,CPU 就会往下依次查询 L1、L2、L3高速内存,如果一直查到L3都没有,才去内存中取数据,取数据时,也是根据层级一级一级往上加载最后加载到每个数据应该在的不同层级和位置给CPU运算用的。

    在这里插入图片描述

    • CPU:中央处理器(central processing unit)作为计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元
    • CPU 寄存器:最靠近 CPU 的控制单元和逻辑计算单元的存储器,32 位 CPU 中⼤多数寄存器可以存储 4 个字节; 64 位 CPU 中⼤多数寄存器可以存储 8 个字节。寄存器的访问速度⾮常快,⼀般要求在半个 CPU 时钟周期内完成读写,⽐如 2 GHz 主频的 CPU,那么它的时钟周期就是 1/2G,也就是 0.5ns(纳秒)。CPU 处理⼀条指令的时候,除了读写寄存器,还需要解码指令、控制指令执⾏和计算。如果寄存器的速度太慢,则会拉长指令的处理周期,从而给⽤户的感觉,就是电脑很慢
    • CPU Cache:CPU Cache ⽤的是⼀种叫 SRAM的芯片(Static Random-Access Memory,静态随机存储器) 。SRAM 之所以叫【静态存储器】,是因为【保持有电】数据才能存在,一旦断电数据丢失。SRAM存储1bit数据需使用 6 个晶体管,所以 SRAM 的存储密度不⾼,单位物理空间存储数据有限,不过也因为 SRAM 的电路简单,所以访问速度⾮常快。
    L1 Cache一级缓存L2 Cache 二级缓存L3 Cache三级缓存
    权限每个CPU独有每个CPU独有所有CPU共享
    距离CPU最近稍远最远
    运算速度(cpu周期)2-410-2020-60
    大小几十KB~几百KB几百KB~几MB几MB~几十MB

    在这里插入图片描述

    高速缓存内存硬盘
    芯片SRAM静态芯片DRAM动态芯片
    存储1bit的物理结构6晶体管1晶体管1电容SSD固态硬盘:晶体管HDD机械硬盘:磁盘片
    物理结构–>数据晶体管需要保持通电,断电数据就丢失 (静态芯片)电容会不断漏电,需要一直更新保持数据不丢(动态芯片)断电也不丢失
    物理结构–>速度电路简单速度更快电路稍微复杂速度更慢
    物理结构–>大小密度小,单位空间存储数据少密度大,单位空间存储数据多
    • 内存:内存⽤的芯⽚是⼀种叫作 DRAM (Dynamic Random AccessMemory,动态随机存取存储器) 的芯⽚。存储1bit 数据只需1个晶体管和1个电容,但是因为数据会被存储在电容⾥,电容会不断漏电,所以需要【定时刷新】电容,才能保证数据不会被丢失,这就是 DRAM 之所以被称为【动态存储器】的原因,只有不断刷新,数据才能被存储起来。
    • 硬盘:SSD固态/HDD机械硬盘,断电后数据还是存在的

    经过对硬件的理解,可以对Java语言有更深入的了解。

    比如volatile关键字:

    1. 由于CPU不能越级访问内存,肯定是把内存中的数据逐层往上读取直到交由CPU进行运算,不同CPU线程通过运算之后得到运算后的返回结果,再逐层往下更新,最后更新到数据的存储介质(内存、缓存、硬盘等)。
    2. 我们先了解volatile关键字的特性:①被volatile修饰的变量,可以避免高并发量时,不同线程对变量数据的读取出现幻读(例如CAS机制)②被volatile修饰变量在JVM中的公共内存中,被所有线程共享。
    3. 按照volatile的特性和CPU访问数据的特性进行分析
      ①CPU把volatile关键字修饰的变量数据加载到了高速缓存中,因此去读写volatile关键字修饰的数据时,少了高速缓存和内存之间的读取操作,又因为高速缓存的访问速度比内存快得多,因此JVM各个线程再进行各种操作时,读或写volatile关键字修饰的变量数据的操作比其他操作先完成,因此可以保证幻读不会出现。
      ②volatile修饰的变量数据被JVM中所有线程共享,而符合这一特性的只有L3 Cache,因此这个数据被高速缓存读取的位置肯定是在L3 Chche三级缓存。
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  • CPU的运算速度是非常快的,为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域,并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中,运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存...

    关于CPU寄存器的简单介绍

    最近浅显的学习了下这方面的知识,所以目前也想去总结一下

    CPU除了控制器、运算器等器件还有一个重要的部件就是寄存器。其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储。

    CPU的运算速度是非常快的,为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域,并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中,运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存器。

    CPU读取指令是往内存里面去读取的,读一条指令放到CPU中,CPU去执行,对内存的读取速度比较慢,所以从内存读取的速度去决定了这个CPU的执行速度的。所以无论我们的CPU怎么去升级,但是如果这方面速度没有解决的话,其的性能也不会得到多大的提升

    所以为了弥补这个缺陷,所以去添加了高速缓存的机制,A11只有两级高速缓存。这个时候就能弥补内存读写的速度了。

    运行速度越快,做工肯定要越精良,所以成本会越高,所以容量肯定是需要有限制。

    就拿iPhoneX 上面的ARM处理器A11举例子,它的1级缓存中的容量是64KB,2级缓存中的容量是8M。

    我们读取指令的时候,就是PC寄存器指向谁就去执行谁,然后CPU会先去找映射表,如果发现高速缓存中有这个地址,那么就会去高速缓冲中去读取。

    如果PC所指向的地址在高速缓存中找不到了会去内存中找,然后根据特定的替换策略就会将内存中的指令或者数据拷贝到内存中。

    高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器, 由静态存储芯片(SRAM)组成,容量比较小但速度比主存高得多, 接近于CPU的速度。

    主要由三大部分组成:

    • Cache存储体:存放由主存调入的指令与数据块

    • 地址转换部件:建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换

    • 替换部件:在缓存已满时按一定策略进行数据块替换,并修改地址转换部件

    关于静态存储芯片的介绍:

    静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory,SRAM)是随机存取存储器的一种。所谓的“静态”,是指这种存储器只要保持通电,里面储存的数据就可以恒常保持。相对之下,动态随机存取存储器(DRAM)里面所储存的数据就需要周期性地更新。

    关于静态存储芯片和动态随机存取存储器的具体区别

    SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。而DRAM(Dynamic Random Access Memory)每隔一段时间,要刷新充电一次,否则内部的数据即会消失,因此SRAM具有较高的性能,功耗较小,但是SRAM也有它的缺点,即它的集成度较低,相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积,但是SRAM却需要很大的体积。同样面积的硅片可以做出更大容量的DRAM,因此SRAM显得更贵。

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    速度:寄存器 > 二级缓存 > 内存 > 硬盘

    寄存器是CPU内部的存储器,用于存储等待抄处理计算的指令或数据,当然速度是最快的;
    其次是二级缓存,由于cpu的速度快于内存,为了提高计算机的速度,设置了一级、二级缓存,用于固化存储常用指令,速度其次;
    然后就是内存了;最后是硬盘。

    i++不是原子操作

    其执行要分为3步:1、读内存到寄存器;2、在寄存器中自增;3、写回内存。
    举个例子,现有A,B两个线程,初始i=2;A线程完成1,2步后被切换到B线程,在B线程中执行完这3步,再切换回来,此时A寄存器中的i=3写回内存,故最后i=3,而不是正常的4;所以不是原子操作。

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