Γιατί η CPU εκτελεί ταχύτερα από τη συσκευή εισόδου και εξόδου;

Έχετε δίκιο να πιστεύετε ότι η CPU είναι γενικά ταχύτερη από τις συσκευές εισόδου και εξόδου (I/O). Εδώ είναι γιατί:

1. Φύση των επιχειρήσεων:

* CPU: Η CPU έχει σχεδιαστεί για υπολογισμούς και χειρισμού δεδομένων και χειρισμού δεδομένων. Λειτουργεί σε δυαδικά δεδομένα, που εργάζεται με κομμάτια και bytes σε απίστευτα υψηλές ταχύτητες.

* Συσκευές I/O: Οι συσκευές I/O, όπως σκληροί δίσκοι, πληκτρολόγια και οθόνες, είναι υπεύθυνες για την αλληλεπίδραση με τον φυσικό κόσμο. Αυτό περιλαμβάνει μηχανική κίνηση (π.χ. δίσκους περιστροφής) ή επικοινωνία με εξωτερικά συστήματα. Αυτές οι διαδικασίες είναι εγγενώς πιο αργές από τους ηλεκτρονικούς υπολογισμούς της CPU.

2. Διαφορά ταχύτητας:

* CPU: Οι σύγχρονες CPU μπορούν να εκτελέσουν δισεκατομμύρια οδηγίες ανά δευτερόλεπτο. Αυτό μετράται στο Gigahertz (GHz).

* Συσκευές I/O: Οι ταχύτητες των συσκευών I/O είναι πολύ πιο αργές. Για παράδειγμα, ένας σκληρός δίσκος μπορεί να έχει ταχύτητα ανάγνωσης/εγγραφής μερικών εκατοντάδων megabytes ανά δευτερόλεπτο.

3. Σκοπός και σχεδιασμός:

* CPU: Η κύρια λειτουργία της CPU είναι να επεξεργάζεται τα δεδομένα το συντομότερο δυνατό. Έχει σχεδιαστεί για να είναι ένας εξαιρετικά βελτιστοποιημένος επεξεργαστής αστραπής.

* Συσκευές I/O: Οι συσκευές εισόδου/εξόδου έχουν σχεδιαστεί για συγκεκριμένες λειτουργίες, όπως η εμφάνιση οπτικών, η λήψη εισόδου ή η αποθήκευση δεδομένων. Ο σχεδιασμός τους δίνει έμφαση στη λειτουργικότητα, την ανθεκτικότητα και την αποδοτικότητα κόστους σε σχέση με την καθαρή ταχύτητα.

Το πρόβλημα της συμφόρησης:

Η διαφορά στην ταχύτητα μεταξύ των συσκευών CPU και I/O δημιουργεί μια συμφόρηση. Η CPU συχνά βρίσκεται σε αδράνεια, περιμένοντας δεδομένα από πιο αργές συσκευές I/O, οδηγώντας σε αναποτελεσματικότητα. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές:

* Προσωρινή αποθήκευση: Τα δεδομένα αποθηκεύονται προσωρινά σε γρήγορη μνήμη (cache) κοντά στην CPU για να μειωθεί η ανάγκη για συχνές λειτουργίες I/O.

* ασύγχρονη I/O: Η CPU μπορεί να συνεχίσει να επεξεργάζεται άλλες εργασίες ενώ περιμένει να ολοκληρωθεί οι λειτουργίες I/O.

* Παραλληλισμός: Οι σύγχρονοι υπολογιστές μπορούν να εκτελούν πολλαπλές εργασίες ταυτόχρονα, ελαχιστοποιώντας την επίδραση της αναμονής για αργή I/O.

Συνοπτικά:

Η CPU έχει σχεδιαστεί για επεξεργασία δεδομένων υψηλής ταχύτητας, ενώ οι συσκευές I/O δίνουν προτεραιότητα στη λειτουργικότητα και τη φυσική αλληλεπίδραση. Η διαφορά ταχύτητας μεταξύ αυτών των εξαρτημάτων μπορεί να δημιουργήσει μια συμφόρηση απόδοσης, αλλά υπάρχουν διάφορες τεχνικές για να μετριάσουν αυτό το ζήτημα.