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最新計算機概論

最新計算機概論. 第 5 章 計算機組織. 目錄. 5-1 　系統單元 5-2 　中央處理器 (CPU) 5-3 CPU 的設計架構與技術 5-4 　記憶體 5-5 　電腦與週邊通訊 5-6 　輸入 / 輸出的定址方式 5-7 　輸入 / 輸出介面 5-8 　輸入裝置 5-9 　輸出裝置 5-10 　儲存裝置. 5-1 　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 (RAM) 兩個部分。 中央處理器 : 執行指令或程式 , 將從輸入裝置取得的資料處理成結果 .

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  1. 最新計算機概論 第5章 計算機組織

  2. 目錄 • 5-1　系統單元 • 5-2　中央處理器 (CPU) • 5-3CPU的設計架構與技術 • 5-4　記憶體 • 5-5　電腦與週邊通訊 • 5-6　輸入/輸出的定址方式 • 5-7　輸入/輸出介面 • 5-8　輸入裝置 • 5-9　輸出裝置 • 5-10　儲存裝置

  3. 5-1　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(RAM)兩個部分。 中央處理器:執行指令或程式,將從輸入裝置取得的資料處理成結果. 主記憶體:暫時存放CPU進行運算時所需的資料或結果. 回首頁 上一頁下一頁

  4. 回首頁 上一頁下一頁 主機板

  5. 接續上頁

  6. 5-2　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體單元 (暫存器) 所組成。 回首頁 上一頁下一頁

  7. 5-2-1　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，它可以讀取並解譯指令，然後產生訊號控制算術邏輯單元、暫存器等CPU內部的元件來完成工作。 • 控制單元的製作方式有下列兩種： • 硬體電路控制 (hardwired control) • 微程式控制 (microprogrammed control) 回首頁 上一頁下一頁

  8. 5-2-2　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:將資料從某處複製或搬移至它處,如LOAD,STORE等. • 算術邏輯類型: 執行算數及邏輯運算,如ADD,SUB,AND,OR,SHIFT,ROTATE等. • 控制類型: 指示指令的執行,如JUMP. 回首頁 上一頁下一頁

  9. 5-2-3　暫存器 • 暫存器 (register) 是位於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。 • 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 register) • 條件碼暫存器 (condition code register) × 回首頁 上一頁下一頁

  10. 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) × 回首頁 上一頁下一頁

  11. 5-2-4　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 回首頁 上一頁下一頁

  12. 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。 • 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) ，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)。 • 除了MHz、GHz之外，電腦的速度也可以使用MIPS、MFLOPS、TPS來描述 MIPS:每秒鐘完成幾百萬個指令 MFLOPS:每秒鐘完成幾百萬個浮點數運算 TPS:每秒鐘完成幾個交易 回首頁 上一頁下一頁

  13. 5-2-5CPU相關規格 • 外頻：CPU外部的工作頻率,即CPU存取主記憶體的速度. • 內頻：CPU內部的工作頻率 • 倍頻：內頻/外頻 例:Pentium4 640 內頻:3.2GHz 外頻:800MHz 倍頻=內頻/外頻=3.2G/800M=4 回首頁 上一頁下一頁

  14. 5-2-5CPU相關規格 • 封裝:CPU是一個晶片,需包裝予以保護,並提供接腳與外界溝通,稱為封裝. • 快取記憶體(cache memory):介於CPU與主記憶體之間的記憶體,速度比CPU慢,但比主記憶體快. 　快取記憶體又分為L1快取,內建於CPU內,速度最快,容量最小;L2快取,目前也內建於CPU內,速度較L1慢,容量較L1大;L3快取,以獨立晶片安插在主機板上,速度最慢,容量最大. PGA SECC 回首頁 上一頁下一頁

  15. 5-2-5CPU相關規格 • 匯流排(bus)寬度：指的為系統匯流排,用來決定電腦一次可傳送多少位元,由以前到現在分別為8, 16, 32及64. 電腦匯流排分為系統匯流排與擴充匯流排. 系統匯流排:負責傳送CPU與主記憶體之間的資料. 擴充匯流排:負責傳送CPU與周邊之間的資料. • 字組(word)大小:表示CPU一次可解讀並執行多少位元,如32位元的CPU代表一次可執行32位元的資料,其字組即為32位元,通常字組大小與匯流排寬度是一致. 因此對於32位元電腦,1word=32bits=4bytes 回首頁 上一頁下一頁

  16. 5-2-6　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。 回首頁 上一頁下一頁

  17. 回首頁 上一頁下一頁

  18. 回首頁 上一頁下一頁

  19. 下面是一個例子： 11BA 12BB 3312 23B0 10B0 73FF

  20. 5-2-7　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 回首頁 上一頁下一頁

  21. 5-3CPU的設計架構與技術 5-3-1CISC(複雜指令集) V.S. RISC (精簡指令集) 回首頁 上一頁下一頁

  22. 5-3CPU的設計架構與技術 5-3-1CISC(複雜指令集) V.S. RISC (精簡指令集) 回首頁 上一頁下一頁

  23. 5-3-2　管線 回首頁 上一頁下一頁

  24. 傳統方法: 管線方法: 例: CPU四個元件分別負責指令擷取,解碼,執行與存回,所需時間分別為10ns,5ns,8ns與7ns. 若執行100個指令,傳統方法需100*(10+5+8+7)=3000ns,而管線方法只需30+100*10=1030 ns. 回首頁 上一頁下一頁

  25. 5-3-3　超純量處理器 同時擁有多個相同元件以同時執行多個指令的處理器叫做超純量處理器 擁有兩個相同元件 擁有兩個相同元件且結合管線技術 回首頁 上一頁下一頁

  26. 5-3-4　平行處理 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,程式會被分割成幾個段落,分別交給不同的處理器處理,最後再把各個處理器的結果合成一個結果. 回首頁 上一頁下一頁

  27. 5-4　記憶體 5-4-1　記憶體的種類 • 記憶體有RAM (random access memory) 與ROM (read only memory)兩種。 • RAM又分成下列兩種： • DRAM (dynamic RAM):使用電容儲存資料,充電表示1,放電表示0.因電容電荷容易流失,需不斷更新電路以保持電荷,故稱動態,做為主記憶體. • SRAM (static RAM):無需不斷更新電路以保持電荷,故稱靜態,存取速度較快,做為快取記憶體. 回首頁 上一頁下一頁

  28. 5-4　記憶體 ROM又分成下列三種： • PROM (programmable ROM):可透過燒錄器寫入資料,不過一旦寫入,就無法更新或抹除. • EPROM (erasable PROM) ):可透過紫外線寫入或更新資料. • EEPROM (electronically EPROM):可透過電流寫入或更新資料. 回首頁 上一頁下一頁

  29. 5-4-2　記憶體的階層 • 暫存器 (register): CPU内部,速度最快,容量最小. • 快取記憶體 (cache memory): CPU與主記憶體中間,分為L1,L2,L3快取,速度,容量均居中. • 主記憶體 (main memory):安插於主機板上,速度最慢,容量最大. 回首頁 上一頁下一頁

  30. 5-4-3　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，為了加以辨識，每個記憶體單元都有唯一的位址，同時這些位址是從0開始，依照順序編號。 回首頁 上一頁下一頁

  31. 5-5　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，依照傳送的資料可分為： • 資料匯流排(data bus) :傳送資料 • 位址匯流排(address bus) :傳送主記憶體或週邊的位址 • 控制匯流排(control bus) :發送控制訊號 • 匯流排又分為下列兩種： • 系統匯流排：傳送CPU與主記憶體間的資料 • 擴充匯流排：傳送CPU與週邊之間的資料 回首頁 上一頁下一頁

  32. 系統匯流排 擴充匯流排 回首頁 上一頁下一頁

  33. 主機板通常會內建下列連接埠： • 硬碟、軟碟與光碟控制介面:硬碟、軟碟與光碟必須透過控制介面,才能與電腦進行資料的交換,此控制介面內建於主機板上. • PS/2埠:有紫色與綠色兩個,分別接PS/2鍵盤與PS/2滑鼠,目前較少使用. • 序列埠:一次傳送一個位元的資料,連結滑鼠.數據機等低速裝置,目前較少使用. • 平行埠:一次傳送多個位元的資料,連結印表機.掃瞄器等較高速裝置,目前較少使用. 上述裝置都屬於冷插拔 • IEEE 1394:可連接63個週邊,支援熱插拔,連結錄影機,DVD,DV,數位電視,數位像機等消費性電子產品. • USB:可連接127個週邊,支援熱插拔,USB1.0的傳輸速率為12Mbps,USB2.0為480Mbps,未來USB3.0為4.8Gbps. • 內建音效晶片插槽: 回首頁 上一頁下一頁

  34. 常見的介面卡如下： • 顯示卡 • 音效卡 • 數據卡 • 網路卡 回首頁 上一頁下一頁

  35. 5-6　輸入/輸出的定址方式 5-6-1　隔離I/O • 在隔離I/O (isolated I/O) 中，每個週邊均有唯一的位址，且週邊的位址與主記憶體的位址可能會重複， 因此需設計兩個不同的指令來進行主記憶體或週邊的資料讀寫。 回首頁 上一頁下一頁

  36. 5-6-2　記憶體映射I/O 在記憶體映射I/O 中，每個週邊均有唯一的位址，這些位址是從主記憶體的部分定址空間配置出來，不會有週邊的位址與主記憶體的位址重複的問題，優點是只要一個指令來進行主記憶體或週邊的資料讀寫，缺點為主記憶體的定址空間變小。 回首頁 上一頁下一頁

  37. 5-7　輸入/輸出介面 做為週邊與CPU和主記憶體之間溝通的橋樑 輸入/輸出介面主要的工作有： • 與週邊溝通； • 與CPU和主記憶體溝通； • 做為資料緩衝區； • 錯誤偵測與回報。 回首頁 上一頁下一頁

  38. 5-7-1　程式控制I/O 輸入/輸出介面資料的傳輸方式： 1.程式控制I/O 2.中斷式I/O 3.直接記憶體存取 (DMA) 回首頁 上一頁下一頁

  39. 5-7-1　程式控制I/O 回首頁 上一頁下一頁

  40. 5-7-2　中斷式I/O 回首頁 上一頁下一頁

  41. 5-7-2　中斷式I/O 回首頁 上一頁下一頁

  42. 5-7-3　直接記憶體存取 (DMA) 回首頁 上一頁下一頁

  43. 5-7-3　直接記憶體存取 (DMA) 回首頁 上一頁下一頁

  44. 5-8　輸入裝置 輸入 (input) 指的是使用者放進主記憶體的資料，其類型如下： • 軟體 (software):如word, photoshop. • 資料 (data):編輯的文字,數字,影像等資料. • 命令 (command): 如使用word中的複製,貼上等動作. • 回應 (response):如結束資料編輯時作業系統詢問是否要存檔. 常見的輸入裝置有鍵盤,滑鼠,條碼掃瞄器,軌跡球,搖桿等. 回首頁 上一頁下一頁

  45. 5-9　輸出裝置 輸出 (output) 指的是電腦運算的結果，其類型如下： • 文字 (text) • 圖形 (image) • 音訊 (audio) • 視訊 (video) 常見的輸出裝置有螢幕,投影機,印表機,喇叭等. 回首頁 上一頁下一頁

  46. 5-10　儲存裝置 • 儲存裝置 (storage device) 的用途是存放資料、指令或程式，又稱為輔助儲存裝置、大量儲存裝置 或次級儲存裝置 • 依存取方式有循序存取和隨機存取 循序存取:必須依一定的順序存取資料,如錄音帶,磁帶等. 隨機存取:不必照任何順序,可存取任何位置的資料,如硬碟,光碟等. 回首頁 上一頁下一頁

  47. 5-10　儲存裝置 • 主記憶體與儲存裝置的不同 1.主記憶體為線上儲存裝置, 具揮發性, 存取速度快, 容量小, 成本高. 2.儲存裝置為離線儲存裝置, 不具揮發性, 存取速度慢, 容量大, 成本低. 回首頁 上一頁下一頁

  48. 5-10-1 　硬式磁碟機 硬碟的內部構造主要有碟片、主軸馬達 、存取臂 及讀寫頭 。 回首頁 上一頁下一頁

  49. 磁軌 (track) • 磁區 (sector) ：一個磁區為512位元組 • 磁簇 (cluster) :數個磁區的集合 • 磁柱 (cylinder) :各個碟片上相同磁區的集合 磁柱 回首頁 上一頁下一頁

  50. 硬碟的容量 每個磁軌可分割得磁區數 等同磁軌數 • 計算硬碟的儲存容量，可以由磁柱數(cylinder)、可讀寫表面數(head)、磁區(sector)決定，公式如下： • 硬碟容量 = 磁柱數x 可讀寫表面數x磁區數 x 磁區容量 • 【範例】：假設每一個磁區(sector)可以記錄512位元組，並且從BIOS中查得某硬碟的CHS相關資料如右，請問該硬碟的容量為何？ • 解： • 硬碟容量 = 磁柱數x 可讀寫表面數x磁區數 x 磁區容量= 1647 x 16 x 63 x 0.5KB = 830088 KB= 810.63 MB 回首頁 上一頁下一頁

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