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1、Chih-Hung Wang,1,電腦與資訊之應用 主要參考文獻 1.新世代計算機概論 第四版，2006 陳惠貞、陳玄玲著，學貫行銷股份有限公司 2.計算機概論-探索未來 2008，陳錦輝著，金禾資訊 3.最新計算機概論 2008，施威銘研究室著，旗標出版社 4.計算機概論 (Peter Nortons: Introduction to Computer 5/E)，第五版，林志敏 編譯，高立圖書,3. 電腦系統單元,Chih-Hung Wang,系統單元,電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CPU) 與主記憶體兩個部分。,Chih-Hung Wang,Chih-Hun
2、g Wang,相關元件,機殼內的元件： 主機板 (motherboard) 電源供應器 (power supply) 散熱風扇 (cooling fan) 固定架 (drive bay) 連接埠 (ports),Chih-Hung Wang,主機板,GA-8I845GV,序列埠,平行埠,CPU 插槽,電源插槽,軟碟插槽,IDE 插槽,PCI 插槽,主記憶體插槽,PCI 插槽,Chih-Hung Wang,中央處理器 (CPU),CPU 負責算術運算、邏輯運算與程式執行，又稱為微處理器(microprocessor) 或處理器(processor)。 CPU是由控制單元、算術邏輯單元及部分的記憶
3、體單元 (暫存器) 所組成。,Chih-Hung Wang,控制單元 (CU),控制單元 (control unit) 是負責控制資料流向與指令流向的電路。 控制單元的製作方式有下列兩種： 硬體線路控制 (hardwired control) 微程式控制 (microprogrammed control),Chih-Hung Wang,算術邏輯單元 (ALU),算術邏輯單元 (arithmetic/logic unit) 是負責算術運算與邏輯運算的電路。 電腦的機器指令有下列三種類型： 資料傳送類型 算術邏輯類型 控制類型,Chih-Hung Wang,暫存器,暫存器 (register) 是
4、位於CPU內部的記憶體，用來暫時存放目前正在進行運算的資料或目前正好運算完畢的資料。 要注意的是暫存器和主記憶體不同，暫存器位於CPU內部，主記憶體位於CPU外部，中間透過匯流排來存取，匯流排 (bus) 是主機板上面的鍍銅電路，負責傳送電腦內部的電子訊號。,Chih-Hung Wang,暫存器類別 (1),暫存器通常分成兩大類，其一是程式設計人員能夠存取的可見暫存器，其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器。 可見暫存器又分成下列幾種： 通用暫存器 (general purpose register) 資料暫存器 (data register) 位址暫存器 (address regist
5、er) 條件碼暫存器 (condition code register),Chih-Hung Wang,暫存器類別 (2),控制與狀態暫存器又分成下列幾種： 程式計數器 (program counter) 指令暫存器 (instruction register) 記憶體位址暫存器 (memory address register) 記憶體緩衝暫存器 (memory buffer register) ALU緩衝暫存器 (ALU buffer register) 中斷向量暫存器 (interrupt vector register) 程式狀態字組 (program status word),Chi
6、h-Hung Wang,電腦的效能,反應時間 (response time) 是一個工作從開始做到結束所花費的時間 工作量 (throughput) 是在固定時間內所能完成的工作 CPU時間 (CPU time) 是CPU執行一個程式所花費的時間，不包括等待輸入/輸出或執行其它程式的時間 CPU時脈週期 (CPU clock cycle) 是CPU執行一個程式所花費的時脈週期 CPU時間 = CPU時脈週期 * 時脈週期時間,Chih-Hung Wang,時脈,時脈 (clock) 是電腦內部一個類似時鐘的裝置，它每計數一次，稱為一個時脈週期 (clock cycle)，電腦就可以完成少量工作
7、。 時脈速度 (clock rate) 指的是時脈計數的速度，單位為MHz (百萬赫茲) 或GHz (十億赫茲)，也就是每秒鐘幾百萬次或每秒鐘幾十億次，而時脈每計數一次所經過的時間稱為時脈週期時間 (clock cycle time)。 電腦的效能取決於時脈速度、CPI和指令數目等因素 。,Chih-Hung Wang,計算範例,參考課本 3-11 頁 假設一部電腦時脈速度為 100 MHz，電腦執行10,000,000 個指令需要0.25 秒，試問這部電腦之 CPI 為多少 ANS: 2.5 A、B兩台電腦指令集相同，A時脈週期10ns，CPI=2，B時脈週期20ns，CPI=1.5，請問哪
8、台電腦執行較快? ANS: A比B快 1.5 倍,Chih-Hung Wang,電腦速度,除了MHz、GHz之外，電腦的速度也可以使用MIPS、MFLOPS、TPS來描述： MIPS 意指每秒鐘可以完成幾百萬個指令，適用於PC、工作站或大型主機。 MFLOPS 意指每秒鐘可以完成幾百萬個浮點數運算，適用於需要大量浮點數運算的機器 (例如超級電腦)。 TPS 意指每秒鐘可以完成幾個交易，適用於商業交易機器。,Chih-Hung Wang,CPU相關規格,外頻：CPU外部的工作頻率，也就是CPU存取主記憶體的速度，單位為MHz。 倍頻：CPU核心所採用的頻率通常是外頻的倍數，而這個倍數就叫做倍頻。
9、 內頻：內頻是CPU工作時所採用的頻率 (工作頻率)，也就是倍頻乘上外頻。,Chih-Hung Wang,封裝,封裝：CPU其實是一個晶片 (chip)，需要將它包裝起來以玆保護，並提供腳座與外界溝通，這個包裝的過程就叫做封裝。封裝方式有很多種，例如DIP 、PGA 、 FC-PGA 、 SECC 、 LGA 。,Chih-Hung Wang,插槽腳位,插槽腳位：插槽腳位決定了CPU如何安插在主機板的CPU插槽，不同的腳位有不同的插槽，針腳數目各異。,Chih-Hung Wang,快取記憶體,快取記憶體：快取記憶體是介於CPU與主記憶體之間的記憶體，存取速度較快，成本也較高，又分為二至三種層次
10、，稱為L1快取、L2快取、L3快取。 匯流排寬度 匯流排 (bus) 是主機板上面的鍍銅電路。 匯流排決定了電腦一次可以同時傳送多少位元，電路愈多，匯流排寬度 (bus width) 愈大，傳送速度愈快。,Chih-Hung Wang,字組,字組大小：字組大小 (word size) 是CPU在固定時間內能夠解譯並執行多少位元，所謂8、16、32或64位元CPU指的就是一次最多可以處理8、16、32或64位元的CPU。 相容性：由於不同的CPU各有唯一的指令集，因此，廠商在推出新的CPU晶片之前，必須考慮相容性 (compatibility)，特別是新的晶片能否與舊的晶片具有向下相容性。,Ch
11、ih-Hung Wang,機器語言,機器語言 (machine language) 是程式與電腦溝通的介面，定義了程式可以使用的指令與編碼方式。 機器指令 (machine instruction) 的編碼方式通常包含運算碼 (op-code) 和運算元 (operand) 兩個部分。,Chih-Hung Wang,Chih-Hung Wang,Chih-Hung Wang,11BA (將主記憶體位址BA的資料載入暫存器R1) 12BB (將主記憶體位址BB的資料載入暫存器R2) 3312 (將暫存器R1的資料與暫存器R2的資料相加， 再將結果儲存到暫存器R3) 23B0 (將暫存器R3的資料
12、儲存到主記憶體位址B0) 10B0 (將主記憶體位址B0的資料載入暫存器R0) 73FF (若暫存器R3的資料與暫存器R0的資料相同， 就跳到主記憶體位址FF去執行，否則依序執行),Chih-Hung Wang,機器循環週期,CPU執行一個指令的過程叫做機器循環週期 (machine cycle)，包含下列四個步驟： 指令擷取 指令解碼 指令執行 結果存回,Chih-Hung Wang,CPU的設計架構與技術,CISC V.S. RISC RISC所提供的指令較為精簡，每個指令的執行時間都很短，完成的動作也很單純，若要做複雜的事情，就要由多個指令來完成。 CISC則提供了豐富的指令，每個指令的
13、執行時間較長，能夠完成的動作也較複雜。,Chih-Hung Wang,3-3-2 管線,Chih-Hung Wang,Chih-Hung Wang,超純量處理器,Chih-Hung Wang,平行處理,平行處理是一部電腦裡面有多個處理器，每個處理器都像一個CPU，可以獨立執行工作，至於主記憶體及輸入/輸出裝置則是共用。,Chih-Hung Wang,記憶體,記憶體的種類 記憶體有RAM (隨機存取記憶體) 與ROM (唯讀記憶體) 兩種。 RAM又分成下列兩種： DRAM (dynamic RAM，動態隨機存取記憶體) SRAM (static RAM，靜態隨機存取記憶體) SRAM 存取速度
14、較 DRAM 快，但價格高。因此通常用途為快取記憶體。 ROM又分成下列三種： PROM (programmable ROM) EPROM (erasable PROM) EEPROM (electronically EPROM),Chih-Hung Wang,DDR SDRAM,SDRAM (Synchronize DRAM)：同步動態隨機存取記憶體 DDR SDRAM （Double Data Rate SDRAM） DDR 開放標準 目前記憶體主流 DDR、DDRII、DDRIII,Chih-Hung Wang,CMOS 與 BIOS,CMOS Complementary Metal-O
15、xide Semiconductor（互補金氧半導體） 主要是儲存系統參數的晶片 硬碟型態、軟碟規格、系統日期時間等 CMOS 要外加電池 BIOS Basic Input/Output System 讓電腦或作業系統和應用程式輸入/輸出裝置溝通的低階程式 掌管整個主機板上面資源,Chih-Hung Wang,記憶體的階層,暫存器 (register) 快取記憶體 (cache memory) 主記憶體 (main memory),Chih-Hung Wang,主記憶體的定址方式,主記憶體是由許多記憶體單元 (cell) 所組成，不同機器可能有不同數目的記憶體單元。 為了加以辨識，每個記憶體單
16、元都有唯一的位址 (address)，同時這些位址是從0開始，依照順序編號。,Chih-Hung Wang,電腦與週邊通訊,電腦內部的電子訊號是由匯流排進行傳送，由下列三組電路所組成： 資料線 (data line) 位址線 (address line) 控制線 (control line) 匯流排又分為下列兩種： 系統匯流排 擴充匯流排,Chih-Hung Wang,Chih-Hung Wang,擴充匯流排,PC常見的擴充匯流排： ISA (Industry Standard Architecture) MCA EISA (Extended Industry Standard Architecture) VL (VESA local bus) PCI (Peripheral Component Interconnect) AGP (Accelerated Graphics Port),Chih-Hung Wang,PCI Express & Others,
