《电脑内部是怎麽运作的教学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电脑内部是怎麽运作的教学课件（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2009/09/29,P-1,電腦內部是怎麼運作的,2009/09/29,P-2,學習目的,講解中央處理器的各個組成元件，說明他們彼此間如何運作以及與記憶體的溝通 描述電腦如何執行程式指令 解釋電腦如何表示資料 描述電腦如何找到指令和資料 講解微電腦系統單元上的主機板的各個元件 明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法,2009/09/29,P-3,電腦的五大單元,輸入單元 (Input unit) 控制單元 (CU unit) 算術與邏輯單元 (ALU unit) 記憶單元 (Memory) 輸出單元 (Output Unit),2009/09/29,P-4,ALU unit CU un
2、it Memory Input unit Output unit,電腦的五大單元,2009/09/29,P-5,CPU,Central Processing Unit 主要功能:抓取指令和執行指令 執行儲存在記憶體(RAM)中的程式指令 分成兩個主要部分 控制單元 (CU) 算術邏輯單元 (ALU),2009/09/29,P-6,控制單元 CU (Control Unit),硬體的一部分，負責控制 控制資料流向,例如資料或指令進出CPU 控制ALU的動作 指示電腦系統執行程式指令 負責CPU與硬體其它部分的溝通,2009/09/29,P-7,算術邏輯單元 ALU (Arithmetic / L
3、ogic Unit),負責執行算術運算動作 負責執行邏輯運算動作,2009/09/29,P-8,算術運算,加法 (ADD) 減法 (SUB) 乘法 (MUL) 除法 (DIV),+,-,*,/,2009/09/29,P-9,算術運算的例子,算術運算(cont.),A(0100),B(0010),ALU(+),Y(0110),兩個運算子(0100和0010)分別放在暫存器(register)A和B中,而結果(0110)就放在暫存器Y中,例如:4+2=6,2009/09/29,P-10,邏輯運算,評估條件值 進行比較 可以比較 數字 字母 特別字元,NOT,AND,OR,=,=,=,2009/09
4、/29,P-11,邏輯運算 (cont.),邏輯運算例子,A(0100),B(0010),ALU(),Y(0000),兩個運算子(0100和0010)分別放在暫存器(register)A和B中,而結果(0000)就放在暫存器Y中,例如:If A B then Y=0,例如:If A != B then Y=0,2009/09/29,P-12,真值表 Truth table,2009/09/29,P-13,暫存器,各有特殊的用途 速度快 是個暫時存放的地方 位於 CPU 中,指令暫存器 儲存目前正在執行的指令,資料暫存器 儲存正等著被處理的資料 儲存處理過後的結果,2009/09/29,P-14
5、,Instruction Cycle,一個指令通常分成四步驟來執行 擷取 解碼 執行 儲存結果 (1)(2)稱為I-time cycle (3)(4) 稱為E-time cycle,2009/09/29,P-15,執行指令流程,CU 從記憶體擷取指令放進CPU中 CU 將此指令解碼 CU 通知硬體相關部分準備採取行動 執行工作 將計算結果寫回記憶體,2009/09/29,P-16,I-time CU 從記憶體中擷取 (fetch)指令，然後放進暫存器中 CU 將此指令解碼 (decode)，並決定所需要的資料在記憶體中的位置,機器循環週期,2009/09/29,P-17,E-time 執行 C
6、U 將資料從記憶體搬移到 ALU 內的暫存器中 由 ALU 負責控制與執行指令 控制權回到 CU CU 將運算後的結果存放在記憶體或暫存器中,機器循環週期,2009/09/29,P-18,電腦系統5 大部分,ALU unit CU unit Memory 介紹 Input unit Output unit,2009/09/29,P-19,儲存體容量的測量單位,KB kilobyte 1024 (210)個位元組 有些磁片 快取記憶體 MB megabyte 約百萬(220)個位元組 RAM,GB gigabyte 約十億(230)個位元組 硬碟 CD 和 DVD TB terabytes 約一
7、兆(240)個位元組 大型硬碟,Q:1 G bytes= ? M bytes,2009/09/29,P-20,例如 512M RAM 表示 此RAM 可儲存512*220 bytes 大小資料 250G 硬碟 表此硬碟 可存放 250* 230 bytes 資料,儲存體容量的測量單位,Remark: 0/1:1 bit 00110011:8 bits=1 byte,2009/09/29,P-21,在記憶體中尋找資料,記憶體中的每個位置都會被標示一個獨一無二的位址 (address) 位址不會改變 內容可能會改變 每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料,2009/09/29,P-22,記憶體(
8、memory)介紹,階層式記憶體 由不同的記憶裝置所組成的,非由單一記憶裝置所構成的,CPU,Cache,Main memory,Secondary memory,目前電腦系統至少有這三層:cache,main memory,secondary memory,速度: Cache main memorysecondary memory,容量大小: Cache main memorysecondary memory,2009/09/29,P-23,階層式記憶體,輔助儲存體(secondary memory) 儲存以後要用到的資料 長期儲存 例如硬碟,光碟片 記憶體(main memory) 儲存最
9、近要使用的資料 暫時儲存 存取速度比輔助儲存體快 例如 RAM/ROM Cache memory 它是一塊小但非常快速的記憶體 存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令 存取速度記憶體快,CPU,Cache,Main memory,Secondary memory,2009/09/29,P-24,快取 (Cache memory),第 1 步 處理器要求擷取資料或指令,第 2 步 到主記憶體中的該位址去讀取,第 3 步 傳送到 CPU 和快取中,下一次微處理器需要資料或指令時 先到記憶體快取中尋找 找不到再到記憶體中尋找,處理器,R A M,快取,2009/09/29,P-25,CPU,Cac
10、he,Main memory,Secondary memory,register,Cache,Main memory,Secondary memory,CPU,暫存器(Register),2009/09/29,P-26,暫存器(register),各有特殊的用途 速度快 是個暫時存放的地方 位於 CPU 中,指令暫存器 儲存目前正在執行的指令,資料暫存器 儲存正等著被處理的資料 儲存處理過後的結果,2009/09/29,P-27,隨機存取記憶體(RAM) (Random Access Memory) 唯讀記憶體(ROM) (Read Only Memory),Main Memery的主要類型,
11、CPU,Cache,Main memory,Secondary memory,Review:階層式記憶體,2009/09/29,P-28,Main memory分類,2009/09/29,P-29,有 DRAM 和SRAM 種類 需要電流才能保持資料 揮發性 (Volatile) 可以讀取及修改裡面的指令和資料 使用者通常是指這種記憶體 有 DRAM 和SRAM,RAM,2009/09/29,P-30,RAM 的種類,SRAM 只要有電力，儲存內容就會依舊存在 速度比 DRAM 快 用在 Cache memory,2009/09/29,P-31,DRAM 必須持續充電 因為它的體積與價格的優勢
12、，大多數的 PC 記憶體都使用它 SDRAM 比較快的一種 DRAM Rambus DRAM 速度比 SDRAM 快 價格較貴 DDR, DDR II,RAM 的種類,2009/09/29,P-32,RAM 裡有什麼?,作業系統 目前正在執行中的程式 上述程式需要的資料 等著要輸出的中間結果,2009/09/29,P-33,ROM,Read Only Memory 非揮發性 (Non-volatile) 負責開機的指令 裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改 這些指令通常是在工廠裡燒錄進去的 又有 EPROM 和EEPROM.種類,2009/09/29,P-34,EPROM /EEPROM,EP
13、ROM (Erasable Programmable Read Only Memory) 利用高壓將資料寫入 抹除時將線路曝光於紫外線下,EEPROM( Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ) 利用高壓將資料寫入 不需要用紫外線照射 用特定的電壓來擦拭晶片上的資訊, 以便寫入新的資料,2009/09/29,P-35,Flash memory,快閃記憶體(Flash memory) 由 EEPROM進化來 例如 MS,SD,大拇哥隨身碟 使用在 行動電話 數位相機(SONY採用MS,其它大都採用SD) 數位錄音器 PDA,200
14、9/09/29,P-36,Basic Input/Output System 功能 載入作業系統：從儲存裝置中載入作業系統到隨機存取記憶體。 初始化動作：針對記憶體、主機板晶片組、顯示卡及週邊裝置做初始化動作 開機自我測試：檢查中央處理器 (CPU) 及各控制器之狀態是否正常。,BIOS 簡介,2009/09/29,P-37,目前主機板BIOS幾乎清一色都是透過 Flash Memory儲存，因應設定即時變更的需求,2009/09/29,P-38,代表甚麼意思呢?,INTEL Core i7 920 2.66GHz,2009/09/29,P-39,系統時鐘(clock),系統時鐘以固定的速率製
15、造脈波(clock) 一個程式指令可能是由一串小指令所組成 每一個 指令CPU至少須要花一個脈波(clock)才能完成 每一種類型的 CPU 都有一組指令集 也就是它能了解與處理的指令,2009/09/29,P-40,INTEL Core i7 920 2.66GHz,表示每秒可產生 26.6 億個clock,2009/09/29,P-41,何謂效能 反應時間(Response Time) 把一件工作丟給CPU,從送進去到完成工作,兩者的時間差 反應時間越短,表示CPU效能越好.,CPU效能的評估,兩個常用指標 MIPS 每秒可執行多少百萬個指令 MFLOPS 每秒可執行多少百萬個浮點運算指令
16、,2009/09/29,P-42,高效能計算機,目標 想辦法讓CPU的速度愈快越好,因此儘量提高 MIPS,讓CPU的速度愈快 管線(pipelining),2009/09/29,P-43,Review(p.14),一個指令通常分成四步驟來執行 擷取 解碼 執行 儲存結果,擷取,解碼,執行,儲存,擷取,解碼,執行,儲存,擷取,解碼,執行,儲存,10ns,5ns,8ns,7ns,指令1,指令2,指令3,2009/09/29,P-44,3*(10+5+8+7)=90 ns,採用管線(pipelining)技術,不採用管線(pipelining)技術,(N-1)*10ns+40ns =(3-1)*10ns+40=60ns,採用管線技術,執行3個指令所須時間快30ns 效能提高了33% (90-60/90=0.33),2009/09/29,P-45,微處理器的種類,Intel Pentium Celeron Xeon Core 2 Duo Co
