中央处理单元与记忆体的运作

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1、1,計算機結構,目錄,9-1 現代計算機的運作架構 9-2 中央處理單元與記憶體的運作 9-3 輸入輸出系統 9-4 輔助儲存系統 9-5 強化運算效能的方案,9-1 現代計算機的運作架構,范紐曼式計算機架構 輸入設備 CPU和記憶體 輸出設備 輔助儲存設備 匯流排,范紐曼式計算機架構-1：,第一部一般用途的真空管電腦ENIAC於賓州大學問世，能用來計算彈道等軍事用途。不過在這部大象級的電腦上寫程式的方式很特別，就是重組電路，將真空管拔來拔去，而且要換上新的計算公式，就得再來一次，真的很不方便，過程中也很容易引起故障。,范紐曼式計算機架構-2：,1945年匈牙利數學家范紐曼（John von

2、Neumann）接續了ENIAC的成果，發展了新一代可以將指令儲存在電腦記憶體內的EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），內儲程式（Stored Program）的觀念正式問世。,范紐曼式計算機架構-3：,范紐曼的構想是將這些指令也儲存在電腦裡，就像資料一樣，如此就不必拆換硬體線路。而每次在執行一個新程式時，只需把程式重新輸入就可要求電腦工作，這就是內儲程式觀念。這樣的概念使得電腦的實用性大增，同時能以很快的速度發展應用軟體，讓電腦成為有用的利器。目前為止，主流的電腦仍是范紐曼式計算機架構。,范紐曼式計算機架構-4：,在此架

3、構下，電腦可以用程式來設計功能，使它成為能接受資料（輸入），再處理成有用的資訊（輸出），並將其轉存到其它地方（輔助儲存設備）作為備分或方便以後使用。 計算機系統進行資料處理需要四個功能：輸入、運算處理、輸出和儲存，而支援這四項功能的電腦硬體分別是輸入設備、處理器和記憶體、輸入設備及儲存設備。,支援電腦運作功能的電腦硬體-1：,輸入設備（Input Device）：可以接受電腦所能使用的資料格式與指令，並把這些資料指令送給處理器。 處理器（Processor）和記憶體（Memory）：處理器通常都稱為中央處理單元（Central Processing Unit， CPU），主要是由電子線路所組成

4、，它能將送進來的資料運算處理成想要的結果，中央處理單元是真正執行電腦指令的部分。記憶體也是電子線路組成，是和中央處理單元配合，用來儲存資料以及指令。,支援電腦運作功能的電腦硬體-2：,輸出設備（Output Device）：將處理過的資料，以各種令人們可以了解及可以使用的方式顯示出來。 儲存設備（Storage）：在此指的是輔助儲存設備（Secondary Storage），例如磁碟（硬式磁碟或軟式磁碟），可以將資料和程式儲存在電腦外部。而提供這些設備資料的是記憶體（Memory），處理器能將記憶體的內容搬到輔助儲存設備裡。,電腦的運作架構示意圖：,輸入設備：,輸入，就是餵資料給電腦系統處理，

5、一般較常用的輸入設備有鍵盤、滑鼠、光筆、掃描器、搖桿、數位轉換器、觸摸式螢幕、讀卡機、磁碟機等。,在鍵盤上輸入：,電腦鍵盤和打字機的操作方法幾乎相同，電腦會反應您敲入了什麼，也就是您可以在電腦螢幕上看到輸入的字元。,利用滑鼠來點指：,滑鼠是一個可用手操作滑動在平面上的設備，滑動時底部的圓球會滾動，同時傳回移動信號，讓螢幕上的指標也跟著移動，位置座標的關係則是相對的，而按下滑鼠上的按鈕可讓您執行指令。,CPU和記憶體-1：,CPU是真正將資料轉換成有用資訊的設備。資料是一些未經電腦處理的數據，例如消費的金額、上班的打卡時間、貨品的價格、車子的行走距離等，而資料在經過處理後，就會轉換成有意義的資訊

6、，因為在轉換的過程中，資料將被組織化，帶有意義而且有用。 舉例來說，學校中的老師可以輸入不同學生的成績（這個是資料），而這些資料可以被處理，然後算出期末成績或全班總平均（這就是資訊）。,CPU和記憶體-2：,資料本身可能不代表太多意義，可是當它轉換成資訊時，將變得有用。 例如銷售分析的電腦系統可以將每個人在商場的消費項目、金額、時間以及個人資訊綜合整理起來，經過計算分析後，就可以了解大眾的消費習慣，進一步反應在供貨項目與寄發相關傳單給特定的族群。,CPU和記憶體-3：,電腦記憶體，又名主記憶體（Primary Storage），它和CPU的關係密切，卻又不是CPU的一部分，記憶體裡儲存著已經由

7、輸入設備輸入但尚未被處理的資料，當然，它也儲存已經被CPU處理但尚未送至輸出設備的資訊。而且，記憶體也存放CPU所需要的程式（電腦指令）。 一般而言在持續通電的情況下，記憶體可以短暫地儲存資料，但若電流受到干擾，資料就會遺失了。,輸出設備-1：,這裡指的是輸出CPU處理資料轉換成為有意義的資訊結果，當然，這也是電腦存在的理由。輸出的東西通常是有用的資訊，也就是說，輸入的資料藉由電腦處理變成了資訊，文字、數字、圖表，甚至是聲音，都是輸出最常見的格式。 舉例來說，文字輸出可能是辦公室的人們利用文書處理軟體所準備的信件和備忘錄，而有些人可能會對公式、行程和預算等數字較有興趣。一般來說，將數字以圖表方

8、式表示，較容易被理解。,輸出設備-2：,最常見的輸出設備是電腦螢幕和印表機。顯示器上的螢幕能有許多不同呈現方式，諸如文字、數字、符號、插圖、相片甚至影片等。印表機則是聽從電腦程式的命令列印出各種形式的資訊。,輔助儲存設備-1：,輔助儲存設備提供了和電腦記憶體不同的資料儲存方式，因為記憶體只能暫時地保存資料和程式，相對地顯現了輔助儲存設備的必要性。 常見的兩個輔助儲存設備是磁碟（Disk）和磁帶（Tape），磁碟是用圓盤的型式，有軟式磁碟和硬式磁碟兩種，硬式磁碟比軟式磁碟有著更多的儲存空間，而且存取資料的速度也快上許多。,輔助儲存設備-2：,在大型電腦系統中，硬式磁碟通常是一整組的設備，包含了磁

9、片與磁碟機，磁片是可以抽換的；而小型電腦系統所使用的硬式磁碟，磁碟機和磁片是包裝在一起的，無法獨立抽換磁片（溫徹斯特式）。 磁碟的另一種進化型式是光碟，光碟有唯讀與可寫入兩種，它是使用光學原理在塑膠片上儲存大量資料，儲存成本相當便宜，不過速度還是比硬式磁碟慢些。,輔助儲存設備-3：,磁帶是以連續的磁性塑膠帶子來儲存資料，通常是放在卡匣裡，就像錄音機播放的錄音帶一樣，當電腦系統要讀取或更新磁帶中的資料時，則必須利用磁帶機來讀取，由於磁帶很便宜容量又大，通常被拿來做為備份電腦資料用途。,匯流排-1：,匯流排（BUS）是在電腦機板上的一部分，在英文原文中之所以用巴士這個稱呼，係取自於意義運輸工具。

10、匯流排是一組平行的電路，負責將資料從一個地方傳到另一個地方，能將處理器、記憶體、輸出入介面通通連起來。 匯流排的寬度是指其一次所能傳輸的最大資料量，例如16位元則代表有16條平行電路為一組的匯流排。,匯流排-2：,匯流排的寬度和CPU有關，若CPU對外的資料線只有8條，那就只有8位元的匯流排可用。所以理論上來說，能一次同時處理64位元資料的CPU，應能配有64位元的資料匯流排。 資料匯流排是匯流排通路的一種，主要的工作是在CPU和記憶體之間，來回傳送需要處理或是需要儲存的資料。,9-2 中央處理單元與記憶體的運作,算術邏輯單元ALU 控制單元Control Unit 暫存器Rigister 記

11、憶體Memory 記憶體定址方式 時脈與指令的執行週期 快取記憶體Cache,中央處理單元（CPU）：,CPU包含了兩個重要部分：控制單元和算術邏輯單元，各有各的特定功能組合。,算術邏輯單元ALU-1：,算術邏輯單元（Arithmetic/Logic Unit，ALU）主要負責電腦內部資料的算術運算與邏輯判斷。ALU可以執行算術指令或數學運算。例加法、減法、乘法和除法，還有位元資料處理如布林運算：AND、OR、NOT或位移，而且也可以執行邏輯指令。,算術邏輯單元ALU-2：,邏輯指令通常以比較指令為主，可以比較數字、字母或特別字元，而電腦可以根據比較的結果處理指令。這是一個相當重要的功能，因為

12、電腦可以藉著這項功能，來辨別滑鼠是否移動、銀行還有沒有存款，溫度是否高到要開啟冷氣壓縮機，電子郵件帳號密碼是否正確等。,邏輯運算可以測試三個條件：,等於條件：本條件在測試兩個數字是否相等。 小於條件：本條件在測試一個數字是否小於另一個。 大於條件：本條件在測試一個數字是否大於另一個。,算術邏輯單元ALU-3：,電腦可以同時測試多個條件，算術邏輯單元可以接受6種邏輯關係：等於、小於、大於、小於或等於、大於或等於、還有小於或大於，注意，小於或大於即為不等於。 用來表示比較類型的這種符號稱為關係運算元。最常見的運算元有等於符號（=），小於符號（）。別小看這些基本的東西，這些再組合布林運算就可以做出非

13、常複雜的判斷，即使是具有人工智慧的程式，也是由這些邏輯運算來組成。,控制單元Control Unit：,控制單元（Control Unit）是整個電腦的運作指揮中樞，負責監督或協調主記憶體、算術邏輯、輸入與輸出各單元之間的動作以及資料的傳輸。 當程式執行時，控制單元將所要執行的指令載入並加以解析（Decoding），決定要執行何種工作，再根據解析的結果發出信號，控制各單元配合執行該指令所要做的工作。,暫存器Register：,暫存器（Register）是可以暫時存放指令或資料的地方。他們並不算是記憶體的一部分，而是在CPU內的額外小型儲存區，控制與邏輯運算單元存取暫存器時並不需要經過匯流排，所

14、以能夠快速存取資料。 暫存器是由控制單元直接指揮，用來接受、保留或轉換指令與資料，及快速地完成運算或邏輯的比較。,CPU的暫存器各種特殊用途：,累加暫存器（Accumulater）：可以儲存計算後的結果。 位址暫存器（Address Register）：可以記錄指令或資料存放在記憶體中的位址。記憶體中的每一個儲存位置都會有一個位址，就像飯店的房間號碼一樣。 資料暫存器（Data Register）：可以暫時保留想送到記憶體或從記憶體抓取過來的資料。 通用暫存器（General Register）：可以用在幾個用途，如算術指令等。,暫存器的標準大小：,暫存器的標準大小，一般等同於CPU的位元處理

15、能力大小。 例如64位元的CPU，就會配有幾個64位元大小的暫存器，而在64位元的CPU處理8位元的資料與64位元的資料，其效率通常是相同的，所以程式就要儘可能以64位元為單位來設計處理資料的方法。,以下是暫存器和其它儲存設備的不同處：,暫存器可立即儲存與執行和作業有關的資料，記憶體則儲存最近要使用的資料，用到時必須移進或移出暫存器，而輔助儲存設備則可以將執行程式所需用的資料儲存起來，不管多久後才要使用都沒有關係。,以下就是貨品結算程式運用不同儲存設備的示範：,貨品的單價與數量以及現在的加總放於暫存器中待用，而其它資料例如該項貨品的名稱、供貨點、庫存則存於記憶體中待用，其餘貨品的資料則在輔助儲

16、存設備中。 當電腦完成一項貨品的計算後，將加總放回記憶體，然後從輔助儲存設備中抓取下一項貨品的資料放入記憶體，再移動必要資料到暫存器繼續運算。,示意圖：,記憶體Memory-1：,記憶體（Memroy）也稱為Primary Storage、Primary Memory、main storage、內部儲存單元及主記憶體，指的都是同一件東西，而製造商通常是使用RAM（Random Access Memory）這個名稱，代表隨機存取記憶體的意思。 隨機的意思就是CPU可以隨時存取在記憶體中任一位置的資料，而且不論資料的排列順序是前是後，時間都幾乎一樣。,記憶體Memory-2：,記憶體主要負責儲存等待執行的程式與資料，也就是說可以記憶或儲存由輸入單元所傳入的任何資料，再等待電腦做更進一步的處理。 雖然記憶體和CPU的關係密切，但它並不是CPU的一部分，只存放程式執行中需要用到的指令或資料。基於某些理由，只有當程式執行時，才需要將相關的資料存放在記憶體中。,以下就是CPU處理資料的方式：,CPU無法直接在輸入設備或磁碟上處理資料，必須先將資料載入存放在記憶體內。 資料和指令由控制單元透過匯流排負責傳送到記憶體。 控制單元會在適當的時間將記憶體中的資料送進ALU中進行邏輯或算術運算，等到ALU處理完畢，再將資訊送回記憶體中，這些資訊會被保留直到準備傳送到輸出或儲存設備為止。,