計算機概論第二版

計算機概論第二版 Foundations of Computer Science Chapter 5 計算機組織

構成一部計算機的元件可區分成三個主要的分類或子系統：中央處理單元、主記憶體和輸入∕輸出（I/O）子系統。構成一部計算機的元件可區分成三個主要的分類或子系統：中央處理單元、主記憶體和輸入∕輸出（I/O）子系統。圖 5.1計算機硬體（子系統） p.98

5.1 中央處理單元 • 中央處理單元（central processing unit；CPU）執行資料的運算。在大部分的架構中 CPU 有三個部分：算術邏輯單元、控制單元，和一組快速儲存位置的暫存器。圖 5.2中央處理單元（CPU） p.98

算術邏輯單元 • 算術邏輯單元（arithmetic logic unit；ALU）執行資料的邏輯、移位和算術運算。暫存器 • 暫存器（registers）是快速的獨立儲存位置，可以暫時保存資料。需要多種暫存器以便幫助 CPU 的運算。 • 資料暫存器：在今日，計算機使用位於 CPU 內部的數十個暫存器來加速其運算，保存其中間結果。 • 指令暫存器：CPU 負責從記憶體中一個接一個地擷取指令，儲存在指令暫存器（instruction register）中，解碼指令，並且執行指令。 • 程式計數器：記錄目前正在執行的指令，在執行該指令之後，此計數器會遞增以便指到記憶體內下一個指令的位址。 p.99

控制單元 • 控制單元（control unit）控制每個子系統的運作，藉由訊號從控制單元傳送到其他子系統來達到控制。 p.99

5.2 主記憶體 • 主記憶體（main memory）是計算機中第二個主要的子系統（圖 5.3）。它是由大量的儲存位置所組成，每一位置具有一個唯一識別碼，稱為位址。資料以成組的位元形式傳入和傳出記憶體，稱為字組（word）。 • 字組為 8 位元，則稱為位元組。位元組（byte）一詞在計算機科學中是共通的。 p.100

圖 5.3主記憶體 p.100

位址空間 • 要存取記憶體中一個字組需要一個識別碼。雖然程式設計者使用一個名稱來識別一個字組（或大量的字組），在硬體的層次，每一個字組是用一個位址來加以識別。 • 記憶體中唯一可識別位置的總數量稱為位址空間（address space），例如，一個記憶體具有 64 K 位元組和一個位元組大小的字組，其位址空間範圍是從 0 到 65,535。 • 假設一部計算機有 64 K 位元組，位址可表示成無號整數（不會有負的位址）。換言之，第一個位置就是位址0000000000000000（位址 0），而最後一個位址就是1111111111111111（位址 65535）。 p.100

表 5.1記憶體單位 p.100

範例5.1 一部計算機有 32 MB（百萬位元組）的記憶體。需要多少個位元來定址記憶體中每一個位元組？解答記憶體位址空間為 32 MB，或 225（25 × 220）。這表示需要 log2225，或 25 個位元來定址每一個位元組。 p.101

範例5.2 一部計算機有 128 MB 的記憶體，此計算機中每一字組為 8 個位元組。需要多少位元來定址記憶體中每一個字組？解答記憶體位址空間為 128 MB，表示是 227。然而每一個字組是 8 （23）位元組，表示有 224個字組，這表示需要 log2224，或 24 個位元來定址每一個字組。 p.101

記憶體種類 兩種主要的記憶體分別是：RAM 和 ROM。 RAM • 隨機存取記憶體（random access memory；RAM）構成計算機中大部分的主記憶體。要區別 RAM 和 ROM 就在於 RAM 可以被讀取與寫入。RAM 的另一個特性是它具有揮發性；如果電腦電源關閉，則資訊（程式或資料）會被清除。RAM 技術分成兩大類：SRAM 和 DRAM。 p.101

SRAM • 靜態 RAM（static RAM；SRAM）技術使用傳統的正反閘來保存資料，只要電源是開啟狀態，則資料是被保存的，而且不需要更新記憶體位置。SRAM 速度快但價格昂貴。 DRAM • 動態 RAM（dynamic RAM；DRAM）技術使用電容來做資料儲存，如果電容是充滿電的，則狀態為 1；如果電容未充電，則狀態為 0。因為電容會隨時間漏失電荷，所以 DRAM 記憶體單元需要週期性地加以更新。DRAM 速度慢但價格便宜。 p.102

ROM • 唯讀記憶體（read-only memory；ROM）的內容是由製造商所寫入；CPU 允許讀出其內容但是不能寫入 ROM 中。其優點為它是非揮發性的──如果關閉電腦，其內容沒有被清除。通常，它是用於程式或資料一定不可以被清除或更改，甚至是將電腦關閉。例如，有些電腦具有 ROM 保存有啟動程式，用於開機時執行。 PROM • 可程式規劃唯讀記憶體（programmable read-only memory；PROM）是ROM 的變型，這種型式的記憶體在電腦裝貨時是空白的，使用者可以用特殊設備將程式儲存於其中。當程式存入後就如同 ROM 一般不能被覆寫，此一特性允許使用者儲存特殊程式於 PROM 中。 p.102

EPROM • 可清除可程式化唯讀記憶體（erasable programmable read-only memory；EPROM）是 PROM 的變型，它可由使用者作程式規劃，但是它也可以用一種應用紫外光的特殊設備加以清除，要清除 EPROM 必須將 EPROM 實際移除與重新安裝。 EEPROM • 電壓可清除可程式化唯讀記憶體（electrically erasable programmable read-only memory；EEPROM）是 EPROM 的變型，它可藉由電子脈衝來加以程式化和清除，而不需從電腦中移除。 p.102

記憶體階層 • 極少量的高速記憶體在速度具決定性的地方，CPU 內部的暫存器即屬此類。 • 適量的中速記憶體來儲存時常存取的資料，快取記憶體即屬此類。 • 大量的低速記憶體來儲存不常存取的資料，主記憶體即屬此類。 p.103

圖 5.4記憶體階層 p.103

快取記憶體 • 快取記憶體（cache memory）比主記憶體快，但是比 CPU 及其內部的暫存器慢。快取記憶體通常數量少，並置於 CPU 與主記憶體之間。 • 快取記憶體在任何時刻均包含部分主記憶體的備分。當 CPU 需要存取主記憶體中一個字組時，它遵循下列程序： 1. CPU 檢查快取記憶體。 2. 如果此字組存在，CPU 拷貝此字組；若不存在，則 CPU 存取主記憶體，而且拷貝一塊從所要求的字組開始之主記憶體區塊。此區塊取代快取記憶體中先前的內容。 3. CPU 存取快取記憶體並且拷貝此字組。 p.103

圖 5.5快取記憶體 p.103

為什麼快取記憶體會如此有效率，即使只有少量的快取記憶體。答案在於「80-20 法則」。根據觀察，大部分的電腦主要花費百分之八十的時間在存取只有百分之二十的資料，換言之，相同的資料被重複地存取。快取記憶體利用其快速特性，可以保有此百分之二十的資料，使得存取加快至少百分之八十的時間。 p.104

5.3 輸入∕輸出子系統 • 計算機中第三個主要子系統是一群設備的集合稱為輸入∕輸出子系統（input/output (I/O) subsystem）。此子系統允許計算機與外界通訊，以及即使電源關閉時可以儲存程式和資料。輸入∕輸出設備可分成兩大類：非儲存性與儲存性設備。 • 非儲存性設備（nonstorage device）允許 CPU∕記憶體與外界通訊，但是它們不能儲存資料。 • 兩種比較常見的非儲存性輸入∕ 輸出設備為鍵盤和螢幕。鍵盤（keyboard）提供輸入功能；螢幕（monitor）顯示輸出而且同時回應在鍵盤上所輸入的字母。屬於這類型的其他設備還有滑鼠、搖桿等。 p.104

印表機（printer）是產生永久紀錄的輸出設備。印表機是非儲存性設備。印表機（printer）是產生永久紀錄的輸出設備。印表機是非儲存性設備。 • 儲存性設備（storage device）雖然歸類為 I/O 設備，可以儲存大量的資訊，並於之後再度取回。但它們比主記憶體便宜，而且其內容是非揮發性的──當電源關閉時不會被清除。它們有時候被稱為輔助儲存設備，可以將其分類為磁性或光學的設備。 • 磁性儲存設備使用磁化來儲存資料的位元。如果一個位置被磁化，則代表 1；如果沒有被磁化，則代表 0。 p.105

磁碟（magnetic disk）是由一個或多個碟片逐一堆疊而組成。碟片塗上一層磁性薄膜，利用每一個碟片之磁化表面上的讀寫頭（read/write head），將資訊於碟片表面加以儲存及取回。 • 表面組織：每一個表面分成許多磁軌（track），而每一磁軌分成許多磁區（sector）。磁軌被磁軌間隙（intertrack gap）隔開，而磁區被磁區間隙（intersector gap）隔開。 • 資料存取：磁碟可視為一種隨機存取設備，一次所能存取的最小儲存區域為一個磁區。一個資料區塊可以儲存在一個或多個磁區，而且取回時不需取回碟片中其餘的資訊。 p.105

圖 5.6磁碟 p.105

效能：磁碟的效能取決於幾項因素：轉速、搜尋時間和轉移時間。轉速（rotational speed）定義磁碟旋轉多快。搜尋時間（seek time）定義移動讀寫頭到所要的儲存資料磁軌所需之時間。轉移時間（transfer time）定義從磁碟上移動資料到 CPU∕記憶體所需之時間。 p.106

磁帶（magnetic tape）有各式各樣的尺寸，常見的一種是在半英寸塑膠帶子塗上一層厚的磁膜。磁帶架設於兩個捲軸上，當磁帶經過讀寫頭時，用一個讀寫頭來讀取或寫入資訊。 • 表面組織：磁帶的寬度分成九個磁軌；磁軌中的每一位置可以儲存 1 個位元的資訊。九個垂直點可以儲存一個位元組的 8 個位元資訊，加上一個錯誤偵測的位元。 • 資料存取：磁帶可視為一種循序存取設備，要取回磁帶上特定的區塊，需要經過該區塊之前所有的區塊。 • 效能：速度比磁碟慢，但是比較便宜。現在，大家使用磁帶來備份大量的資料。 p.106

圖 5.7碟帶 p.106

光學儲存設備（optical storage devices） 是一種相當新的技術，使用雷射光來儲存和取回資料。光學儲存技術的使用是在儲存聲音資料的 CD（compact disk）發明之後，現在，在電腦中使用相同的技術來儲存資訊。使用此技術的設備有 CD-ROM、CD-R、CD-RW 和 DVD。 p.106

CD-ROM • 唯讀光碟（compact disk read-only memory；CD-ROM）使用與音樂 CD相同的技術。 • 產生：CD-ROM 技術使用三個步驟來產生大量光碟片： a. 母片（master disk）是以高功率紅外光雷射產生位元樣式在鍍膜的塑膠上而製成。雷射將位元樣式轉換成一序列的凹洞（pit）（洞）和平地（land）（無洞）。凹洞通常表示 0，而平地通常表示 1。然而這只是慣例，是可以調換的。其他機制使用轉換（凹洞到平地或是平地到凹洞）來表示 1，而用沒有轉換表示 0。 b. 模版從母片製作而來，在模版中，凹洞用凸塊取代。 p.107

圖 5.8CD-ROM 的產生與使用 p.107

c. 將熔化的聚碳酸酯樹脂（polycarbonate resin）射入模版中，以產生與母片相同的凹洞。再將一層非常薄的鋁（作為反射層）加到聚碳酸酯之上。在這鋁層之上，有一層用漆作的保護層，而且加上標籤。每一個碟片的產生只有重複此一步驟。 • 讀取：CD-ROM 使用低功率雷射光束來加以讀取，此雷射光束經過平地時會被鋁層表面所反射。當遇到凹洞時會反射兩次，一次是由凹洞邊界所造成，而另一次是由鋁層邊界所造成。這兩次反射具有破壞性效應，因為所選擇的凹洞深度剛好為光束波長的四分之一。如果該位置是平地的話，感測器會檢測到較多的光；如果是凹洞，則會檢測到較少的光。 p.107

格式：CD-ROM 的資料格式依據 a. 將 8 位元的資料區塊轉換成 14 位元的符號（symbol），使用一種稱為漢明碼（Hamming code）的錯誤更正碼。 b. 每一個框架（frame）由 42 個符號所組成（14 位元∕符號）。 c. 每一個磁區由 98 個框架所組成（2352 位元組）。 • 速度：CD-ROM 光碟機具有不同的速度。單倍速稱為 1×，每秒讀取多達 153,600 位元組。 • 應用：生產費用包含製造母片、模版和實際碟片，如果碟片是大量生產，則具有經濟效益。 p.108

圖 5.9CD-ROM 格式 p.108

表 5.2CD-ROM 速度 p.108

CD-R • 可燒錄光碟（compact disk recordable；CD-R）允許使用者產生一片或多片的光碟，而不必負擔產生 CD-ROM 所包含之費用。這在製作備分時特別有用。CD-R 有時候稱為一寫多讀（write once, read many；WORM）。 • 產生：CD-R 技術使用與 CD-ROM 相同的原則產生光碟片。以下列出其差異處： a. 沒有母片或模版。 b. 反射層用黃金取代鋁來製造。 p.109

c. 在聚碳酸酯上沒有實際的凹洞（洞）；凹洞和平地只是模擬的。要模擬凹洞和平地，需要多一層類似照相所用材料的額外染料，加在反射層與聚碳酸酯之間。 d. 由 CD 燒錄機所產生的高功率雷射束造成染料上的一個黑點，改變其化學構造來模擬凹洞，未被雷射束擊中的區域即為平地。 • 讀取：CD-R 可以被 CD-ROM 機器或 CD-R 機器讀取。 • 格式與速度：CD-R 的格式、容量及速度，都和 CD-ROM 相同。 • 應用：CD-R 這項技術對於想要產生與供應少量光碟片的人來說，是非常具有吸引力的。對於製作文件檔案與備分也非常有用。 p.109

圖 5.10製作 CD-R p.109

CD-RW • 一種新類型的碟片，稱為可覆寫光碟（compact disk rewritable；CD-RW），有時又稱為可清除光碟。 • 產生：CD-RW 技術使用與 CD-R 相同的原則來產生光碟片。以下列出其差異處： a. CD-RW 技術使用銀、銦、銻和碲的合金取代染料，此合金具有兩個穩定狀態：結晶性（透明）和無結晶性（不透明）。 b. 此機器使用高功率雷射來產生合金中模擬的凹洞（將它從結晶性改變成無結晶性）。 p.110

讀取：此機器使用如 CD-ROM 和 CD-R 相同形式的低功率雷射光束，來檢查凹洞和平地。 • 清除：此機器使用中功率雷射光束將凹洞改變成平地，此光束將一個位置從無結晶狀態改變成結晶狀態。 • 格式和速度：CD-RW 的格式、容量和速度都與 CD-ROM 相同。 • 應用：此技術絕對比 CD-R 技術更具有吸引力。 p.110

圖 5.11製作 CD-RW p.110

DVD • 市場上最新的光學記憶體儲存設備是數位多功能光碟（digital versatile disk；DVD）。它使用與 CD-ROM 相同的技術，除了下列的差異之處： a. DVD 的凹洞較小：直徑 0.4 微米，取代 CD 所用的 0.8 微米。 b. 磁軌彼此間更為接近。 c. 光束用紅光雷射取代紅外線雷射。 d. DVD 使用一至兩層的記錄層，而且可以是單面或雙面。 p.111

容量： • 壓縮：DVD 技術使用 MPEG 來作壓縮，這表示一片單面單層的 DVD 能夠保存 133 分鐘高解析度的視訊，其亦包含了聲音和字幕。 • 應用：DVD 的高容量吸引了許多需要儲存大量資料的應用。表 5.3DVD 容量 p.111

5.4 子系統之互連 連接 CPU 與記憶體 • CPU 與記憶體通常由三組線路連接，每一組線路稱為匯流排（bus）：資料匯流排、位址匯流排和控制匯流排。資料匯流排 • 資料匯流排（data bus）線路的數目取決於計算機所使用字組的大小，如果字組是 32 位元（4 位元組），則需要 32 條線路的資料匯流排，因此一個 32 位元的字組可以同時傳送。 p.111

圖 5.12使用三組匯流排連接 CPU 與記憶體 p.111

位址匯流排 • 位址匯流排（address bus）允許存取記憶體中特定的字組。位址匯流排線路的數目取決於記憶體位址空間，如果記憶體有2n個字組，位址匯流排必須有 n 條線路。控制匯流排 • 控制匯流排（control bus）在 CPU 與記憶體之間傳送聯絡訊號。控制匯流排所使用的線路數目取決於計算機所需要的命令之總數量，如果一計算機有 2m個控制動作，則控制匯流排需要 m 條線路。 p.112

連結 I/O 設備 • I/O 設備不能直接連接到 CPU 和記憶體的匯流排上，。I/O 設備運作的速度也遠比 CPU∕記憶體慢，因此，需要一個媒介來處理中間的差異。I/O 設備經由輸入∕輸出控制器（input/output controller）或介面（interface）而連接到匯流排上，每一個 I/O 設備有一個特殊的控制器。 • 控制器或介面彌補了 I/O 設備與 CPU 和記憶體之性質間的差異。控制器可以是串列或並列設備。目前有數種控制器在使用中。現在最常見的是 SCSI、FireWire 和 USB。 p.112

圖 5.13連接 I/O 設備到匯流排 p.112

SCSI • 小型電腦系統介面（small computer system interface；SCSI）最初是由 Macintosh 電腦於 1984 年所發展，今日它已經被使用於許多系統之中。 • SCSI 具有 8、16 或 32 條線路的並列介面，SCSI 介面提供雛菊鏈式（daisychained）的連接。雛菊鏈的兩端必須加上一個稱為終端電阻的特殊設備來加以阻隔，而且每一個設備必須有一個唯一的位址（目標 ID）。 p.113

圖 5.14SCSI 控制器 p.113

FireWire • IEEE 標準 1394 定義一個串列介面通稱為火線（FireWire）。它是一個以封包傳送資料的高速串列介面，最高傳送速率可達 50 MB/sec，在最近的版本甚至是其兩倍的速率。 • 它可以用雛菊鏈方式或樹狀連結方式（只用一條連結線）連接多達 63 個設備，它不需要像 SCSI 控制器中使用終端電阻。 p.113

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