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CH02 電腦硬體知識

CH02 電腦硬體知識. 2-1 電腦的組成與架構 2-2 電腦主機與零件 2-3 電腦週邊設備與連接 2-4 電腦的操作與保養 2-5 數字系統與資料表示法 附錄 數字表示法與計算. 2-2 電腦主機與零組件. 主機板. 可插 PCI-E x16 介面 的擴充卡，如顯示. PCI-E x16. 2-2 電腦主機與零組件. 主機板的各個元件或插槽 CPU 插槽 ： 安插 CPU 的 位置 不同 廠牌型式的 CPU 會搭配不同的插槽。 一般在 主機板 的包裝盒上通常會標示支援的 CPU 型號 記憶體模組插槽 ：

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  1. CH02電腦硬體知識 2-1 電腦的組成與架構 2-2 電腦主機與零件 2-3 電腦週邊設備與連接 2-4 電腦的操作與保養 2-5 數字系統與資料表示法 附錄 數字表示法與計算

  2. 2-2 電腦主機與零組件 • 主機板 可插PCI-E x16介面 的擴充卡，如顯示 PCI-E x16

  3. 2-2 電腦主機與零組件 • 主機板的各個元件或插槽 • CPU 插槽： • 安插CPU 的位置 • 不同廠牌型式的CPU 會搭配不同的插槽。 • 一般在主機板的包裝盒上通常會標示支援的CPU型號 • 記憶體模組插槽： • 安插記憶體模組的位置 • DDR2 和DDR3 都為240pin，但針腳設計方式不同，不可共用插槽 • B1. 北橋晶片：負責主機板上高速裝置的控制與溝通。 • B2. 南橋晶片：負責主機板上低速裝置的控制與溝通。

  4. 2-2 電腦主機與零組件 • PCI Express×16 擴充槽： • 連接PCI-E 顯示卡 • 傳輸速度優於舊式的AGP 擴充槽。 • SATA 插槽： • 新的硬碟機連接介面 • 可連接SATA 硬碟或光碟，採序列傳輸 • 傳輸速度優於IDE。 • PCI 擴充槽： • 連接PCI 擴充卡 • 如網路卡、音效卡。 • IDE 插槽： • 連接IDE 裝置，如IDE 硬碟或光碟 • 每個IDE 連接埠可連接兩個裝置。

  5. 2-2 電腦主機與零組件 • FDD 插槽：連接軟碟機。 • PS/2 插槽：綠色插槽連接滑鼠、紫色插槽連接鍵盤。 • 音效插孔：主機板內建音效介面，連接耳機、喇叭、麥克風。 • USB 埠：連接USB 周邊設備。 • RJ-45 插槽：連接網路線。 • 平行埠：連接印表機。 • 鋰電池：提供CMOS 維持基本設定資料所需電力。

  6. 2-2 電腦主機與零組件 • 晶片組的功能 1. 北橋晶片： • 位於主機板靠近CPU 插槽的位置 • 負責高速裝置的溝通，如CPU、主記憶體、顯示卡裝置等。 2. 南橋晶片： • 位於主機板靠近擴充槽的位置， • 負責低速裝置的溝通，如IDE、SATA、PCI、USB、I/O 連接埠等裝置。 主機板「不南橋」了？！ 新款的主機板已沒有「南橋」晶片組了 !! 舊款主機板的晶片組分為南橋與北橋 二種，北橋負責掌控高速裝置（如記憶體），南橋負責掌控中低速裝置（如USB、SATA）； 新款主機板則採單一晶片組設計，僅保留南橋的功能，北橋的功能則整合至CPU中。 主機板圖簡報第13、14頁

  7. 2-2 電腦主機與零組件 ( ) 1.有關主機板上CPU插槽的敘述，下列何者正確？ (A)可以用來安裝顯 示卡 (B)負責主機板上高速裝置的控制與溝通 (C)不同廠牌型式的 CPU不可安裝在相同的插槽中 (D)現今大多為長條型的設計，具有 240 pins。 ( ) 2.下列何者不屬於北橋晶片負責聯絡的範圍？(A)CPU (B)AGP顯示卡 (C)記憶體 (D)硬碟。 ( ) 3.負責 CPU與其他低速周邊裝置溝通的是下列何者？(A)南橋晶片 (B)北橋晶片 (C)BIOS (D)DRAM。

  8. 2-2 電腦主機與零組件 CPU的組成 CPU又稱為微處理器（microprocessor） 電腦的心臟, 包含以下元件： 控制單元：控制與協調各單元間的相互運作。 算術/邏輯單元(ALU)：負責資料的運算與邏輯判斷。 快取記憶體(cache memory)：存放常用的指令或資料。 暫存器(register)：存放CPU 運算中的資料、指令及執行的狀態...

  9. 2-2 電腦主機與零組件 • CPU的組成 • 算術邏輯運算單元 ALU + 控制單元 CU + 暫存器 + 快取記憶體

  10. 2-2 電腦主機與零組件 • CPU規格 102.07.23

  11. 2-2 電腦主機與零組件 • CPU規格 102.07.23

  12. 2-2 電腦主機與零組件 • CPU 效能 1. CPU 的規格： • 在購買CPU時，我們應注意標示在產品包裝盒上的名稱、速率及快取記憶體容量等3項主要規格。

  13. 2-2 電腦主機與零組件 ( )1.已知某部桌上型電腦的CPU規格為Intel Core 2 Duo E6700 2.67GHz， 請問其中2.67是表示CPU的何種規格？(A)內部記憶體容量　(B)出廠序 號　(C)時脈頻率　(D)電源電壓。 ( )2.有關CPU的規格，以下何者為誤？(A) AMD CPU名稱中 "X" 後接的數 字，即表示該CPU的核心數 (B) AMD CPU如X4代表四核心、X6代表 六核心 (C) Intel舊款CPU可由名稱中的Duo（雙核心）或Quad（四核 心）來瞭解其核心數 (D)新款 Intel CPU也是從規格名稱中判斷CPU的 核心數，例如Duo（雙核心）或Quad（四核心）。

  14. 2-2 電腦主機與零組件 2. CPU 速度： • 指CPU 內部處理指令的頻率，也就是時脈頻率 • 通常用來衡量電腦執行速率 • 單位為Hz(赫茲，每秒可執行的時脈次數)。 • 如Intel Core i7_3.46G，其中3.46G 是指3.46GHz。 3. CPU 外頻： • 主機板上各元件如晶片組、記憶體等的工作頻率(除了CPU 之外)， • 通常也是指匯流排的速率。

  15. 2-2 電腦主機與零組件 4. CPU 內頻： • 指CPU 內部的工作頻率，也就是CPU 本身的執行速度。 • 內頻是由外頻乘以一個倍數值(倍頻)得來 • 以 MHz 或 GHz 為單位, 值愈高效能愈好 • CPU 工作頻率=內頻=外頻×倍頻。 • 例如：Intel Core i7_3.46G 的外頻為133MHz，倍頻為26， 內頻=133MHz×26 = 133 103Hz  26 =3,458  103Hz≒3.46GHz .倍頻 ․是一個倍數值 • CPU的時脈遠高於其他周邊設備，但傳資料時必須和各周邊協調運作時脈 故CPU 內部會依外頻乘上一個倍數來運作, 此一倍數即為『倍頻』

  16. 2-2 電腦主機與零組件 ( )1.常見的電腦規格中，有關3.2 GHz的CPU之敘述，下列何者最適當？ (A)CPU的時鐘脈衝為每秒3.2 Giga次 (B)CPU每秒可以存取3.2 Giga 筆資料 (C)CPU每秒可以執行3.2 Giga個程式 (D)CPU內部的記憶體 大小為3.2 Giga個位元組。 ( )2.下列何者指的是CPU本身的執行速度？ (A)CPU內頻 (B)前端匯流排 (FSB) (C)超執行緒(HT) (D)CPU外頻。

  17. 2-2 電腦主機與零組件 時脈頻率與時脈週期 時脈頻率的倒數即時脈週期（clock cycle） 1 時脈週期 = 時脈頻率 1 1 1 = × 10-9 3GHz = = 3 × 109 3 3GHz ∴ 時脈週期為 ：0.33 奈秒 • 若某CPU其時脈頻率為500MHz，則其時脈週期為何？ 1 答: 時脈週期 = 時脈頻率 1 = = 0.2 ×10-8秒 2ns(奈秒) =2 × 10-9 = 500 ×106次/秒

  18. 2-2 電腦主機與零組件 假設 CPU 的工作頻率為 4GHz，平均執行一個指令約需花費 2 個時脈 週期，則該 CPU 平均執行一個指令約需花用多少時間？ 答: 4 GHz = 4 ☓ 109Hz 1 = 0.25 × 10-9 時脈週期 = 4 ×109 0.25 ns☓2 =0.5 ns ( ) 15. 假設某CPU之處理速度為800 MIPS(Million Instructions Per Second)， 執行一個指令平均花費5個時脈週期(clock cycle)，試問此CPU之最低工 作頻率為何？ (A)4 MHz (B)160 MHz (C)4 GHz (D)1.6 GHz。 x 答: 設cpu時脈頻率 x = 800 106 X= 4000  106 5 =4 Ghz

  19. 2-2 電腦主機與零組件 5. FSB(Front Side Bus，前端匯流排)： • Intel 在2008年 Core i 7未推出以前的系統匯流排 • 指CPU 對外(與北橋晶片)的工作時脈 • 也代表CPU的外頻，可作為衡量電腦速度的指標 • FSB 的工作頻率愈高，資料傳輸的速度愈快。 Intel晶片組 . HyperTransport (補充) • 簡稱 HT, AMD 2001即推出的技術 • 傳輸速率約為 FSB 的十倍大 HT 技術的效能 > FSB的技術效能 ∴ Intel後來推出QPI架構取代FSB

  20. 2-2 電腦主機與零組件 6. MIPS ( Million Instructions Per Second ) • 每秒所執行的百萬個指令數 GIPS ( Giga Instructions Per Second ) • 每秒所執行的十億個指令數 • 計算電腦系統執行指令的速度單位。

  21. 2-2 電腦主機與零組件 .CPU的時脈頻率計算 PentiumⅣ 3.2 G 是指執行速度為 3.2GHz = 3200 MHz， 若內部頻率若3200 MHz , 倍頻為 4 , 則外部頻率為何 ? ∴ X = 800 × 106 X × 4 = 3200 × 106 若執行每個指令需 4 個時脈，則為 ? MIPS 的電腦。 3200 MHz 為每秒執行 3200 × 106時脈 ÷ 3200 × 106 4 = 800 × 106 ∴ 為 800 MIPS

  22. 2-2 電腦主機與零組件 若某CPU平均執行一個指令需耗時 5ns，則此 CPU 執行速度 為多少MIPS？ 1 5 ns = 5 × 10-9 = 0.2 ×109 5 ×10-9 = 200 ×106 200MIPS = 200MIPS

  23. 2-2 電腦主機與零組件 假設C P U 的執行速度為5 MIPS，執行一億個指令共需多少時間？ 100000000 = 20秒 5 MIPS = 5 ×106 5 ×106 20秒

  24. 2-2 電腦主機與零組件 • 多核心CPU 1. 把多個CPU 的運算核心塞在原本 1 顆 CPU 的空間中 減少更多電力耗損、降低功耗、熱量的產生。 2. 可同時處理兩個或更多的工作，在執行多個程式時能發揮良好效能  核心是各自獨立，每一核心都具備執行單元與 快取記憶體 例如 L1 Cache、L2 Cache、執行單元、指令集單元、匯流排…  執行CPU所有的計算、命令、資料處理  比單核心微處理器更適合多工的環境

  25. 2-2 電腦主機與零組件 • 多核心CPU 第一顆雙核心處理器為IBM Power 4 處理器，2012年 IBM 發行了最新八核心的處理器Power 7+， 擁有80MB L3快取/晶片。 3. Intel 推出的雙核心CPU 為Core 2 Duo Intel 推出的四核心CPU 為Core 2 Quad、Core i7 等。 AMD 推出的雙核心CPU 為Athlon×2， AMD 推出的四核心CPU 為Phenom×4、Athlon×4 等。 . AMD CPU名稱中 "X" 後接的數字，表示CPU的核心數,如X4表四核心、X6表六核心 .Intel舊款CPU可由名稱中的Duo（雙核心）或Quad（四核心）判斷核心數 新款 CPU 從名稱上已經無法判斷CPU的核心數

  26. 2-2 電腦主機與零組件

  27. 2-2 電腦主機與零組件 ( )1.什麼是「多核心CPU」？(A)具有超過2個以上CPU的電腦 (B)把多個 CPU的運算核心塞在原本1顆CPU的空間中 (C)有更多的電力耗損 及熱量產生，且執行速度較慢 (D)須花費時間等待兩個程式間的切換。 ( )2.下列有關多核心CPU的敍述何者有誤？(A)更適合多工的環境 (B)比多顆CPU減少更多電力耗損及熱量的產生 (C)執行效能較單核 CPU更佳 (D)CPU的核心數都是二的倍數 ( )3.某銷售員宣稱所販售的電腦為四核心電腦，請根據上述，判斷下列何 者正確？(A)該部電腦裝有4顆CPU(B)該部電腦的CPU工作頻率為 4GHz (C)該部電腦的製造廠商為Intel(D)該部電腦的CPU具有四個 運算核心。

  28. 2-2 電腦主機與零組件 • CPU 內部暫存器 1.暫存器(Register)： 一種記憶體，位於CPU 內部 用來暫存正在執行的指令位址或資料，以增進CPU 處理效能。 執行速度快，但價格高。 2.程式計數器(PC, Program Counter)： 存放CPU 下一個要執行的指令在主記憶體中的位址。 3.位址暫存器(MAR)：存放CPU 要存取的資料在主記憶體中的位址。 4.指令暫存器(IR)：存放CPU 正在執行的指令。

  29. 2-2 電腦主機與零組件 • 常見的CPU暫存器 簡稱 MAR 簡稱 IR 簡稱 PC • 電腦業界常以一般用途暫存器的位元數來表示電腦的位元數。 • 如64位元的電腦，表示一般用途暫存器的位元為 64 bits

  30. 2-2 電腦主機與零組件 ( )1.個人電腦之中央處理器內部，用來存放目前正在執行的指令或資料 ，其稱之為？(A)磁碟機 (B)暫存器 (C)唯讀記憶體 (D)主記憶體。 ( )2.旗標暫存器的內容是表示：(A) 計算結果 (B)執行狀態　(C) 日期 (D)目前的執行位址。 ( )3.CPU欲至主記憶體中存取資料，必先將所欲存取之位址存入下列 何者之中？(A)位址暫存器　(B)資料暫存器　(C)輸出或輸入單元 (D)控制單元。 B B A

  31. 2-2 電腦主機與零組件 • CPU 的運作與處理 1.電腦最基本的運算為加法，其他如減、乘、除法皆可由加 法來完成。 2.CPU 的指令架構：運算碼(OP Code)+運算元(Operand)， 運算碼是指該指令欲執行的動作， 運算元則是執行的對象或資料。 例如：C=A+B，其中 +、=是運算碼，A、B、C均是運算元。

  32. 2-2 電腦主機與零組件 3.CPU 的指令運作週期或稱機器週期(Machine Cycle) • 指令運作的順序 • 擷取指令 → 指令解碼 → 執行指令 → 記憶體存取 → 回存結果。 • 在CPU 的執行中，依據指令的不同，有時不需作「記憶體存取」或「回存結果」。  CPU 週期

  33. 5-3 CPU的運作  CPU 週期 提取週期 ＋ 執行週期 ＝ 機器週期（又稱為”指令週期” ） (1) 控制單元到RAM中抓取指令 • (4) ALU執行已解碼的指令 • (5) ALU將執行結果送回RAM中 (2) 控制單元將指令解碼 (3) 將資料從RAM中移至ALU內 不斷地重複 擷取、解碼、執行、儲存四個步驟。(約小於百萬分之一秒) MIPS（每秒百萬個指令）表示：CPU每秒可執行多少百萬個指令。 MIPS值越高，CPU執行速度越快

  34. 2-2 電腦主機與零組件 4. 平行處理： CPU 同時處理多個執行緒，以加快處理速度 多核心CPU 能利用多個處理核心同時運作，以發揮平行處理的效果。 • 將要處理的執行緒分配給各個處理器核心同時處理同時處理 ( 同一件事拆給多個核心同時處理 ) • 將各個處理好的結果組合起來，以加快處理速度 • 必須硬體和作業系統、編譯器的配合，才能達成真正的平行處理

  35. 2-2 電腦主機與零組件 • 執行緒（thread）作業系統要求cpu執行的最小單位 • 是作業系統能夠進行運算排程的最小單位 • 每個單位時間內，一個CPU只能處理一個執行緒 • 一個行程可以有很多執行緒，每條執行緒並列執行不同的任務 • 使用多執行緒技術，可提高程式的執行效率 • 在多核 • 多CPU • 支援Hyper-threading的CPU • 單CPU單核的電腦(單人多工) • 軟體多執行緒(多工) • 作業系統也可透過快速在不同執行緒間進行切換(時間間隔很小) • 製造一種多個執行緒同時執行的假象 • 微軟Windows 2000以後的作業系統,皆支援多執行緒與超執行緒技術。

  36. 2-2 電腦主機與零組件 • 多執行緒（英語：Multithreading） • 從軟體或者硬體上實作多個執行緒同時執行的技術。 • 在同一時間執行多於一個執行緒，進而提升整體處理效能 • 具多執行緒能力的系統有 • 對稱多處理機 • 多核心處理器 • 晶片級多處理（Chip-level multithreading） • 同時多執行緒（Simultaneous multithreading）處理器 • 軟體多執行緒 • 即便處理器只能執行一個執行緒，作業系統也可透過快速在不同執行緒間進行切換(由於時間間隔很小)，給使用者造成一種多個執行緒同時執行的假象。這樣的程式執行機制被稱為軟體多執行緒。 • 如微軟的Windows作業系統和Linux就是在各個不同的執行緒間來回切換，被稱為單人多工作業系統。而DOS這類文字介面作業系統在一個時間只能處理一項工作，被視為單人單工作業系統。

  37. 2-2 電腦主機與零組件 • 超執行緒（HT, Hyper-Threading） • 英特爾研發的一個技術，於2002年發佈。 • 超執行緒技術原先只應用於Xeon處理器中，當時稱為「Super-Threading」。之後陸續應用在Pentium 4中，將技術主流化。早期代號為Jackson。 • 通過此技術，英特爾實現在一個實體CPU中，提供兩個邏輯執行緒。 • 雙核心技術是將兩個一樣的CPU放置於一個封裝內（或直接將兩個CPU做成一個晶片），而英特爾的HT技術是在CPU內部僅複製必要的資源、讓CPU模擬成兩個執行緒；也就是一個實體核心，兩個邏輯執行緒，在一單位時間內處理兩個執行緒的工作，模擬實體雙核心、雙執行緒運作。

  38. 2-2 電腦主機與零組件 5. 管線運算：(圖自行看課本) 程式有一連串的指令等著被執行，管線技術是將指令週期切割成多個單位，即使第一個指令尚未完成，也可開始執行下一個指令，藉以提高CPU 執行的效率。 假設某一電腦系統每個指令執行時需要 5 個步驟，程式有一連串的指令(例如：A,B,C,D)，沒有管線技術時，程式指令執行的順序為： 共需 54 =20個步驟的時間

  39. 2-2 電腦主機與零組件 5. 管線運算：(圖自行看課本) • 改以管線技術時，即使目前的指令尚未完成，也可開始執行下一個指令，程式指令執行的順序為： • 共需 8個步驟的時間 • 一種提升CPU效能的技術, 如一工廠有多條生產線,同時進行生產工作 • 將一個指令的執行週期,切割為多個工作單位, 第一個指令還沒完全執行完, 即可再執行第二個指令的週期

  40. 2-2 電腦主機與零組件 ( )1.一個單核心CPU無法執行下列哪一種作業？(A)單人單工 (B)單人多工 (C)分時處理 (D)平行處理。 ( )2. CPU藉由下列何種方法可以同時處理多個執行緒，加快處理速度？ (A)批次處理 (B)平行處理 (C)集中處理 (D)線上處理。 ( )3.一個單核心CPU無法執行下列哪一種作業？(A)單人單工 (B)單人多工 (C)分時處理 (D)平行處理。

  41. 2-2 電腦主機與零組件 • 時間單位 1. 「nano」還用於長度，奈米 (nm) 是指10-9公尺，即十億分之一公尺， 當物質縮小到奈米尺度時，其質量、體積、導電性、磁性等物理或化 學特性都會因而改變。 奈米科技(Nanotechnology)：透過控制原子、分子在奈米尺度上表現 出來的嶄新特性，加以組合並製造出具有特定功能的產品。

  42. 2-2 電腦主機與零組件 ( )1.某微處理器時脈頻率為 100MHz，假設執行 1 個指令需要 3 個時脈， 則執行該指令需要多少時間？(A)0.3ns (B)3ns (C)30ns (D)300ns 1個時脈週期=1 /時脈頻率 ∴ 1個時脈週期= 10-210-6秒 3×10-8秒=30×10-9秒=30ns。 ( )2.下列何者相當於1秒的十億分之一？(A)毫秒 (B)微秒 (C)微微秒 (D)奈秒。 1/1000000000=10-9秒 ( )3.電腦常用的時間單位有：毫秒、微秒及奈秒，請問1奈秒等於多少秒？ (A)10–12(B)10–9 (C)10–6(D)10–3。 ( )4.時間單位1 ns(奈秒)相當於多少μs(微秒)？(A)10-6(B)10-3(C)103 (D)106。 10-9 /(10-12)=1000

  43. 2-2 電腦主機與零組件 CPU製造的技術 ( CISC ) ( CISC )

  44. 2-2 電腦主機與零組件 • 影響CPU執行效能的因素

  45. 2-2 電腦主機與零組件 • 影響CPU執行效能的因素

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