計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度影響因素探討

呂睿

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 民族職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

當(dāng)前大部分家庭與辦公室所使用的計(jì)算機(jī)并非傳統(tǒng)概念的計(jì)算機(jī)，其主要的作用不是進(jìn)行龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算，而是為了滿(mǎn)足人們的娛樂(lè)休閑以及普通辦公的需求[1]。計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)工作是數(shù)據(jù)處理，由數(shù)據(jù)處理工作元加以實(shí)現(xiàn)，只有在充分了解計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)件的基礎(chǔ)上才能對(duì)其數(shù)據(jù)處理運(yùn)算速度的影響因素加以明確，進(jìn)而以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。

1 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的基本概念分析

早期的計(jì)算機(jī)其主要的功能就是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，以代替人工計(jì)算，提高計(jì)算的精確性與工作效率，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)運(yùn)算工是基于門(mén)電路特性，通過(guò)數(shù)學(xué)模型與邏輯計(jì)算理念，編寫(xiě)固定的計(jì)算軟件繼而輸入計(jì)算機(jī)的程序當(dāng)中，通過(guò)門(mén)電路與邏輯計(jì)算理念實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速運(yùn)算，然而早期的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算僅表示數(shù)據(jù)處理能力，并不包括運(yùn)算速度的概念。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理的基本流程如圖1所示。

1.1 宏觀定義

圖1 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理的基本流程示意圖Fig.1 Diagram of a computer data processing of the basic flow diagram

鑒于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)運(yùn)算需要在電路邏輯計(jì)算的基礎(chǔ)上完成，在運(yùn)算的過(guò)程當(dāng)中中央處理器（CPU）會(huì)發(fā)熱，因此中央處理器需要具備較強(qiáng)的散熱功能[2]。一般而言，運(yùn)算速度越快的計(jì)算機(jī)，其體積也更大，如我國(guó)自主研發(fā)的“銀河二號(hào)“超級(jí)計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度為11億次/s，其體積非常龐大，其中主要有兩個(gè)原因，一是內(nèi)部元件非常多，且分布復(fù)雜，二是兼顧計(jì)算機(jī)的散熱功能。當(dāng)前大部分家庭所使用的都是微型計(jì)算機(jī)，整體的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力并不高，數(shù)據(jù)處理需要通過(guò)其他的方式實(shí)現(xiàn)。如：當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理指令的時(shí)候，主要的參與元件是電子門(mén)電路，圖像的數(shù)據(jù)運(yùn)算則由中央處理器完成。在微型計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型當(dāng)中僅有“0”與“1”的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，無(wú)法識(shí)別其余的數(shù)據(jù)形式。但是宏觀的數(shù)據(jù)處理并不僅僅局限于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理既包括數(shù)據(jù)計(jì)算，也包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1.2 數(shù)據(jù)處理特征

計(jì)算機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理指令的過(guò)程是比較復(fù)雜的，經(jīng)中央處理器發(fā)出數(shù)據(jù)處理指令，隨后針對(duì)硬盤(pán)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步解碼與深入分析，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將其緩存進(jìn)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存（ram）[3]。經(jīng)中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的調(diào)用，針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次的提取，可提取到二次緩存以及三級(jí)緩存，上述為完整的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序。為了使計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理更為流暢，需要設(shè)置緩存，減輕中央處理器的負(fù)荷，緩解發(fā)熱的情況，整體而言，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理存在三大特征，具體如下：

1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)在實(shí)際的工作過(guò)程當(dāng)中，僅能識(shí)別二進(jìn)制的數(shù)據(jù)，因此需要將全部的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)[4]。如：用戶(hù)在觀看視屏的時(shí)候，需要解碼器輔助完成，解碼器實(shí)際上就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)媒介，數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后可進(jìn)行下一程序的操作。

2）緩存調(diào)用。通俗意義上的數(shù)據(jù)緩存，即是將數(shù)據(jù)先行存儲(chǔ)另一個(gè)元件當(dāng)中，隨后調(diào)至中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了使計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理保持高度的流暢，必須要設(shè)置緩存空間，無(wú)論是硬盤(pán)內(nèi)的數(shù)據(jù)還是遠(yuǎn)程傳輸而來(lái)的數(shù)據(jù)均可進(jìn)入緩存空間，經(jīng)中央處理器可調(diào)至二次緩存以及三級(jí)緩存當(dāng)中。

3）二進(jìn)制數(shù)據(jù)。普通的計(jì)算機(jī)只能完成單一的模式，即是“0”與“1”的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而無(wú)法識(shí)別其余的數(shù)據(jù)形式，這與計(jì)算的電子門(mén)電路有關(guān)，鑒于此，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行數(shù)據(jù)處理指令的時(shí)候，都需要將操作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)處理的正常實(shí)現(xiàn)。

2 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度影響因素剖析

通過(guò)上文，我們已初步了解計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的基本的流程與相關(guān)的特征，對(duì)于分析計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理影響因素便有了可依靠的技術(shù)原理。當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理指令的時(shí)候，其所存在的數(shù)個(gè)必要的流程往往會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算速度造成影響，這也是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度的主要影響因素，具體分析如下。

2.1 中央處理器方面

中央處理器（CPU）是計(jì)算機(jī)的核心元件，如圖2所示，通常采用主頻作為衡量中央處理器運(yùn)算速度的重要標(biāo)準(zhǔn)。所謂的“主頻”，即是頻率單位，可理解為中央處理器1 s之內(nèi)的運(yùn)算次數(shù)，中央處理器運(yùn)算速度與主頻成正比例關(guān)系，主頻越高，中央處理器的運(yùn)算速度就越快，反之亦然[5]。除此之外，鑒于中央處理器在正常的使用過(guò)程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)機(jī)械性的老化，會(huì)拖慢其運(yùn)算速度，因此必須要設(shè)置緩存區(qū)，緩存區(qū)的位置通常選取在中央處理器與內(nèi)存之間，進(jìn)行緩存方面的設(shè)計(jì)能夠顯著加快計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度，提高計(jì)算機(jī)的使用性能，以滿(mǎn)足用戶(hù)更高的使用要求。

2.2 計(jì)算機(jī)內(nèi)存方面

圖2 中央處理器Fig.2 The central processor

一般而言，計(jì)算機(jī)都有內(nèi)存設(shè)置，其根本的目的是為中央處理器（CPU）創(chuàng)造理想的緩存過(guò)程與空間，以提高計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的整體運(yùn)算速度。用戶(hù)在使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程當(dāng)中，如果計(jì)算機(jī)本身不存在內(nèi)存，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)無(wú)法打開(kāi)，或者是整個(gè)的運(yùn)行速度非常慢，出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象，影響用戶(hù)的使用感覺(jué)，數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度過(guò)慢，計(jì)算機(jī)的操作便不流暢，降低了計(jì)算機(jī)的使用性能。另外，如果計(jì)算機(jī)本身沒(méi)有內(nèi)存，中央處理器（CPU）將承擔(dān)全部的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，增加了其運(yùn)行的負(fù)擔(dān)，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，中央處理器的溫度會(huì)發(fā)生明顯的升高，如果無(wú)法得到及時(shí)的降溫與散熱處理，容易對(duì)中央處理器造成損壞，為用戶(hù)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，雖然當(dāng)前大部分生產(chǎn)廠家在計(jì)算機(jī)內(nèi)部加裝了溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度產(chǎn)出正常范圍的時(shí)候，計(jì)算機(jī)將無(wú)法開(kāi)啟，這是一種保護(hù)中央處理器的有效措施，然而如果計(jì)算機(jī)沒(méi)有內(nèi)存或者是內(nèi)存過(guò)小對(duì)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度造成負(fù)面的影響卻是不爭(zhēng)的事實(shí)。

通常認(rèn)為計(jì)算機(jī)的內(nèi)存越高，數(shù)據(jù)的緩存空間就越大，中央處理器（CPU）的運(yùn)行負(fù)荷便會(huì)減輕，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度也會(huì)隨之加快。鑒于此，為了提升計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度，必須要采取相應(yīng)的解決措施，具體如下：

1）提高計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。以往的計(jì)算機(jī)內(nèi)存多為512M的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步逐漸升級(jí)到2G，為了提高計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理的整體運(yùn)算速度，可針對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存進(jìn)行全面的升級(jí)，如擴(kuò)展到4G甚至以上，計(jì)算的數(shù)據(jù)處理就會(huì)比較流暢，運(yùn)算速度也會(huì)隨著得到提升。

2）調(diào)整計(jì)算機(jī)的內(nèi)存制式。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存制式與數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度有著必然的聯(lián)系，可將二級(jí)緩存升級(jí)為三級(jí)緩存，以增加數(shù)據(jù)的緩存空間，進(jìn)而提升計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度。

3）計(jì)算機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中往往會(huì)產(chǎn)生部分的垃圾文件，如果垃圾文件在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法得到清除，占用了計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，也會(huì)拖慢其數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度。對(duì)此，計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)人員可編制相關(guān)的簡(jiǎn)易教程，指導(dǎo)用戶(hù)在使用的過(guò)程當(dāng)中自行清除垃圾文件，以恢復(fù)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。

2.3 計(jì)算機(jī)硬盤(pán)方面

與中央處理器（CPU）、內(nèi)存相比較，硬盤(pán)對(duì)于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度的影響并不大，影響的程度比較低。然而，不同的硬盤(pán)，其數(shù)據(jù)的讀取速率也不同，中央處理器（CPU）與內(nèi)存對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度為直接影響，而硬盤(pán)則為間接影響，短時(shí)間的使用過(guò)程之內(nèi)，硬盤(pán)的讀取速率對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度的影響不明顯，用戶(hù)難以察覺(jué)得到，而如果是長(zhǎng)時(shí)間的使用，其中的負(fù)面影響就會(huì)被無(wú)限放大。

我們一般以轉(zhuǎn)速作為判定硬盤(pán)質(zhì)量的首要標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前大部分家庭與普通辦公室所使用的計(jì)算機(jī)，其轉(zhuǎn)速多為5400R以及7200R，硬盤(pán)的轉(zhuǎn)速與讀取速率成正比例關(guān)系，轉(zhuǎn)速越高，讀取速率越大，數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度也就越快，反之亦然。一般而言，硬盤(pán)閃存的讀取速率越高，其轉(zhuǎn)換的速率也就越快，閃存不足的主要原因是固態(tài)的硬盤(pán)空間往往要比內(nèi)存空間大一些[6]。經(jīng)分析，對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度造成影響的因素主要包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存、硬盤(pán)方面，其中中央處理器（CPU）對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度的影響是最大的，其次是內(nèi)存方面，影響最小的是硬盤(pán)方面。整體而言，內(nèi)存越大并不直接代表計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度，需要與中央處理器相匹配，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度才能達(dá)到最理想的水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，影響計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算速度的因素是多方面的，數(shù)據(jù)處理是計(jì)算機(jī)操作的基礎(chǔ)步驟，與計(jì)算機(jī)的使用性能直接相關(guān)，全部的計(jì)算機(jī)指令均是通過(guò)數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)的，只有在明確計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)備的前提下才能對(duì)其中的影響因素進(jìn)行明確并加以解決。文章基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的宏觀定義，闡述了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算速度的各種方式，就計(jì)算機(jī)的操作模式進(jìn)行了深層次的明確，在綜合計(jì)算機(jī)全部運(yùn)算元素的同時(shí)，提出了幾點(diǎn)意見(jiàn)，以期促進(jìn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度的發(fā)展。

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