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  • 硬盘、寄存器、二级缓存(高速缓存)、内存四种存储器中,速度最快的是?
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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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  • 运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成,它是数据加工处理部件。相对控制器而言,运算器接受控制器的命令而进行动作 ,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来...

    运算器arithmetic unit计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算,与、或、非、异或等逻辑操作,以及移位、比较和传送等操作,亦称算术逻辑部件(ALU)。计算机运行时,运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器;处理后的结果数据通常送回存储器,或暂时寄存在运算器中。数据 运算器的处理对象是数据,所以数据长度和计算机数据表示方法,对运算器的性能影响极大。70年代微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位,则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位 (通常为6或8位),一个完整的数据分成若干段进行计算,称为串并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据,如半字长运算、双倍字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定,称为变字长运算。按照数据的不同表示方法,可以有二进制运算器、十进制运算器、十六进制运算器、定点整数运算器、定点小数运算器、浮点数运算器等。按照数据的性质,有地址运算器和字符运算器等。操作 运算器能执行多少种操作和操作速度,标志着运算器能力的强弱,甚至标志着计算机本身的能力。运算器最基本的操作是加法。一个数与零相加,等于简单地传送这个数。将一个数的代码求补,与另一个数相加,相当于从后一个数中减去前一个数。将两个数相减可以比较它们的大小。左右移位是运算器的基本操作。在有符号的数中,符号不动而只移数据位,称为算术移位。若数据连同符号的所有位一齐移动,称为逻辑移位。若将数据的最高位与最低位链接进行逻辑移位,称为循环移位。运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或,以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行二值代码的16种逻辑操作。乘、除法操作较为复杂。很多计算机的运算器能直接完成这些操作。乘法操作是以加法操作为基础的,由乘数的一位或几位译码控制逐次产生部分积,部分积相加得乘积。除法则又常以乘法为基础,即选定若干因子乘以除数,使它近似为1,这些因子乘被除数则得商。没有执行乘法、除法硬件的计算机可用程序实现乘、除,但速度慢得多。有的运算器还能执行在一批数中寻求最大数,对一批数据连续执行同一种操作,求平方根等复杂操作。运算方法 实现运算器的操作,特别是四则运算,必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能,也关系到运算器的结构和成本。另外,在进行数值计算时,结果的有效数位可能较长,必须截取一定的有效数位,由此而产生最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。结构 运算器包括寄存器、执行部件和控制电路3个部分。在典型的运算器中有3个寄存器:接收并保存一个操作数的接收寄存器;保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器;在进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号,使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器,完成规定的操作。为了减少对存储器的访问,很多计算机的运算器设有较多的寄存器,存放中间计算结果,以便在后面的运算中直接用作操作数。为了提高运算速度,某些大型计算机有多个运算器。它们可以是不同类型的运算器,如定点加法器、浮点加法器、乘法器等,也可以是相同类型的运算器。运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成,它是数据加工处理部件。相对控制器而言,运算器接受控制器的命令而进行动作 ,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的所以它是执行部件。 主要功能:执行所有的算术运算; 执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试,如零值测试或两个值的比较。

    运算器:是进行运算的部件,主要功能是算术运算和逻辑运算。

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  • 为什么寄存器处理数据的速度比内存快? 计算机的存储层次(memory hierarchy)之中,寄存器(register)最快,内存其次,最慢的是硬盘。 同样都是晶体管存储设备,为什么寄存器比内存快呢? Mike Ash写了一篇很好的...

    为什么寄存器处理数据的速度比内存快?

    计算机的存储层次(memory hierarchy)之中,寄存器(register)最快,内存其次,最慢的是硬盘。

    同样都是晶体管存储设备,为什么寄存器比内存快呢?

    Mike Ash写了一篇很好的解释,非常通俗地回答了这个问题,有助于加深对硬件的理解。下面就是我的简单翻译。

    原因一:距离不同

    距离不是主要因素,但是最好懂,所以放在最前面说。内存离 CPU比较远,所以要耗费更长的时间读取。

    以3GHz的CPU为例,电流每秒钟可以振荡30亿次,每次耗时大约为0.33纳秒。光在1纳秒的时间内,可以前进30厘米。也就是说,在CPU的一个时钟周期内(0.33纳秒),光可以前进10厘米。

    涛声依旧注:每次震荡的耗时也就是CPU的时钟周期,时钟周期为震荡频率的倒数。

    因此,如果内存距离CPU超过5厘米,就不可能在一个时钟周期内完成数据的读取,这还没有考虑硬件的限制和电流实际上达不到光速。相比之下,寄存器在CPU内部,当然读起来会快一点。

    距离对于桌面电脑影响很大,对于手机影响就要小得多。手机CPU的时钟频率比较慢(iPhone 5s为1.3GHz),而且手机的内存紧挨着CPU。

    原因二:硬件设计不同

    苹果公司新推出的iPhone 5s,CPU是A7,寄存器有6000多位(31个64位寄存器,加上32个128位寄存器)。而iPhone 5s的内存是1GB,约为80亿位(bit)。

    这意味着,高性能、高成本、高耗电的设计可以用在寄存器上,反正只有6000多位,而不能用在内存上。因为每个位的成本和能耗只要增加一点点,就会被放大80亿倍。
    事实上确实如此,内存的设计相对简单,每个位就是一个电容和一个晶体管,而寄存器的设计则完全不同,多出好几个电子元件。
    并且通电以后,寄存器的晶体管一直有电,而内存的晶体管只有用到的才有电,没用到的就没电,这样有利于省电。

    这些设计上的因素,决定了寄存器比内存读取速度更快。

    原因三:工作方式不同

    寄存器的工作方式很简单,只有两步:

    (1)找到相关的位
    (2)读取这些位。

    内存的工作方式就要复杂得多:
    1. 找到数据的指针。(指针可能存放在寄存器内,所以这一步就已经包括寄存器的全部工作了。)
    2. 将指针送往内存管理单元(MMU),由MMU将虚拟的内存地址翻译成实际的物理地址。
    3. 将物理地址送往内存控制器(memory controller),由内存控制器找出该地址在哪一根内存插槽(bank)上。
    4. 确定数据在哪一个内存块(chunk)上,从该块读取数据。
    5. 数据先送回内存控制器,再送回CPU,然后开始使用。
      内存的工作流程比寄存器多出许多步。每一步都会产生延迟,累积起来就使得内存比寄存器慢得多。

    为了缓解寄存器与内存之间的巨大速度差异,硬件设计师做出了许多努力,包括在CPU内部设置缓存、优化CPU工作方式,尽量一次性从内存读取指令所要用到的全部数据等等。

    来源:阮一峰的网络日志 | 作者:阮一峰

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  • 在计算机的存储层次(memory hierarchy)之中,寄存器(register)最快,内存其次,最慢的是硬盘。 具体原因如下 一、距离不同 距离不是主要因素,但是最好懂,所以放在最前面说。内存离CPU比较远,所以要耗费...

    在计算机的存储层次(memory hierarchy)之中,寄存器(register)最快,内存其次,最慢的是硬盘。

    具体原因如下

    一、距离不同

    距离不是主要因素,但是最好懂,所以放在最前面说。内存离CPU比较远,所以要耗费更长的时间读取。

    以3GHz的CPU为例,电流每秒钟可以振荡30亿次,每次耗时大约为0.33纳秒。光在1纳秒的时间内,可以前进30厘米。也就是说,在CPU的一个时钟周期内,光可以前进10厘米。因此,如果内存距离CPU超过5厘米,就不可能在一个时钟周期内完成数据的读取,这还没有考虑硬件的限制和电流实际上达不到光速。相比之下,寄存器在CPU内部,当然读起来会快一点。

    距离对于桌面电脑影响很大,对于手机影响就要小得多。手机CPU的时钟频率比较慢(iPhone 5s为1.3GHz),而且手机的内存紧挨着CPU。

    二、硬件设计不同

    苹果公司推出的iPhone 5s,CPU是A7,寄存器有6000多位(31个64位寄存器,加上32个128位寄存器)。而iPhone 5s的内存是1GB,约为80亿位(bit)。这意味着,高性能、高成本、高耗电的设计可以用在寄存器上,反正只有6000多位,而不能用在内存上。因为每个位的成本和能耗只要增加一点点,就会被放大80亿倍。

    事实上确实如此,内存的设计相对简单,每个位就是一个电容和一个晶体管,而寄存器的设计则完全不同,多出好几个电子元件。并且通电以后,寄存器的晶体管一直有电,而内存的晶体管只有用到的才有电,没用到的就没电,这样有利于省电。这些设计上的因素,决定了寄存器比内存读取速度更快。

    三、工作方式不同

    寄存器的工作方式很简单,只有两步:(1)找到相关的位,(2)读取这些位。

    内存的工作方式就要复杂得多:

    (1)找到数据的指针。(指针可能存放在寄存器内,所以这一步就已经包括寄存器的全部工作了。)
    (2)将指针送往 内存管理单元(MMU),由MMU将虚拟的内存地址翻译成实际的物理地址。
    (3)将物理地址送往内存控制器( memory controller),由内存控制器找出该地址在哪一根内存插槽(bank)上。
    (4)确定数据在哪一个内存块(chunk)上,从该块读取数据。
    (5)数据先送回内存控制器,再送回CPU,然后开始使用。

    内存的工作流程比寄存器多出许多步。每一步都会产生延迟,累积起来就使得内存比寄存器慢得多。

    为了缓解寄存器与内存之间的巨大速度差异,硬件设计师做出了许多努力,包括在CPU内部设置缓存、优化CPU工作方式,尽量一次性从内存读取指令所要用到的全部数据等等。



    参考:

    https://www.mikeash.com/pyblog/friday-qa-2013-10-11-why-registers-are-fast-and-ram-is-slow.html
    https://zhuanlan.zhihu.com/p/43411535


     

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寄存器的存储速度