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第三章 電腦的硬體世界

第三章 電腦的硬體世界. Lecturer: 吳兆祥 教授 大仁科技大學資訊工程系 jswu@ mail.tajen.edu.tw. 目 錄. 3-6 介面卡簡介 3-7 輸入裝置簡介 3-8 輸出裝置簡介 3-9 儲存設備簡介 3-10 電腦的操作與保養. 3-0 概述 3-1 電腦的基本架構 3-2 認識電腦主機 3-3 中央處理器 -CPU 3-4 主機板 3-5 主記憶體. 3-0 概述. 電腦的組成可以概分為 硬體 及 軟體 兩大類。

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第三章 電腦的硬體世界

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  1. 第三章電腦的硬體世界 Lecturer: 吳兆祥 教授 大仁科技大學資訊工程系 jswu@mail.tajen.edu.tw

  2. 目 錄 3-6 介面卡簡介 3-7 輸入裝置簡介 3-8 輸出裝置簡介 3-9 儲存設備簡介 3-10 電腦的操作與保養 3-0 概述 3-1 電腦的基本架構 3-2 認識電腦主機 3-3 中央處理器-CPU 3-4 主機板 3-5 主記憶體

  3. 3-0 概述 • 電腦的組成可以概分為硬體及軟體兩大類。 • 電腦硬體可以視為具有特定功能並且我們可以看得到與摸得著的實體設備或元件。例如主機、螢幕、鍵盤、滑鼠…等。 • 電腦軟體是一種具有特定功能的命令列的集合(稱為程式)。例如作業系統Windows XP、文書處理軟體word、網頁設計軟體Dreamveaver…等。 • 電腦硬體為電腦的基本組成。 • 電腦軟體為電腦工作的核心。 • 軟體在硬體內執行後透過硬體的反應來展示該軟體的功能。　

  4. 現代化個人電腦的基本配備

  5. 3-1電腦硬體的基本架構 • 電腦硬體的四大單元 • 中央處理單元(Central processing unit, CPU) • 控制單元(Control unit, CU) • 算數邏輯單元(Arithmetic logic unit, ALU) • 記憶單元(Memory unit, MU) • 輸入單元(Input unit, IU) • 輸出單元(Output unit, OU)

  6. 中央處理器 - CPU • 中央處理單元也稱為中央處理器(Central Processing Unit, CPU) 。 • CPU是一部電腦的心臟，負責系統中所有的數值運算、邏輯判斷及指令解讀的核心工作。 • CPU包括控制單元及算數與邏輯單元兩大部分。

  7. 中央處理器--- 控制單元 • 「控制單元」（ Control Unit, CU）負責指揮、協調、控制電腦各單元間的相互運作與資料傳送。 • CU是電腦的指揮中樞，指揮算術邏輯單元與記憶單元間的動作、指令的讀取與解碼、作業程序的協調等工作。

  8. 中央處理單元---算術與邏輯單元 • 「算術與邏輯單元」（ALU）負責電腦內部的各種算術運算、邏輯判斷與關係運算，並將運算結果傳回記憶單元。 • 電腦內部的運算: • 算術運算: ＋、－、×、÷ • 邏輯判斷: AND、OR、NOT • 關係運算: ＞、＜、＝

  9. 記憶單元 (Memory unit) (1/2) • 記憶單元用來儲存程式和資料，分為: • 「主記憶體」 • 「輔助記憶體」 • 主記憶體是一種可以直接和CPU交換訊息的記憶體 。 • 輔助記憶體屬於外部儲存記憶體，可以作為長期儲存程式與資料的媒介。

  10. 記憶單元 (Memory unit) 2/2 • 主記憶體要與CPU快速溝通，為半導體記憶體並且置於主機板上。 • 輔助記憶體又稱為「外部記憶體」。 • 常見的輔助記憶體有磁碟、磁帶、光碟等。 • 輔助記憶體的執行速度較主記憶體為慢，其資料存取常需要藉由主記憶體當做緩衝。

  11. 輸入單元(Input unit) • 輸入單元可以用來接受外界所輸入的指令或資料，並將他轉成電腦所能辨識的內碼。 • 常見的輸入裝置包括鍵盤、滑鼠、掃描器、麥克風、數位相機、觸控式螢幕、遊戲搖桿，…等。

  12. 輸出單元 (Output unit) • 輸出單元可以將電腦運算或處理過的結果顯示或列印出來。 • 常見的輸出裝置有螢幕、印表機、喇叭等。

  13. 電腦四大單元的關係

  14. 3-2 認識電腦主機 • 主機是一部電腦的外觀重心，也是電腦運作的中心所在地。 • 電腦主機內部配置電腦的主要元件，外部以機殼(Case)作為保護，以保護內部元件及電路不會受到外力直接撞擊或沙塵污染。

  15. 電腦主機的主要元件配置示意圖

  16. 硬碟機、光碟機備用槽 電腦主機正面的配置 (例) 3.5吋軟碟機 DVD光碟機 光碟機操作按鈕 電源指示燈 電源重置按鈕 進氣散熱風扇 硬碟動作指示燈 前置耳機或喇叭輸出接頭 電源開關按鈕 前麥克風輸入接頭 前置USB插槽

  17. 電腦主機背 面配置(例) 電源供應器風扇 交流電源插座 鍵盤插槽PS/2 主機板風扇 滑鼠PS/2插槽 序列埠 並列埠 音頻輸出(接喇叭或耳機) 螢幕D-sub連接埠 音頻輸入 USB連接埠 麥克風輸入 RJ45網路線接頭 介面卡備用槽

  18. 3-3中央處理器- CPU • 早期處理機是由數十或數百個IC組裝在一塊電路基板而成，後來因積體電路的發展，讓處理機所有的處理元件得以濃縮在一片小小的晶片，稱為微處理器(Microprocessor) ，又稱為中央處理單元(Central Processing Unit, CPU)。 • 目前主流CPU大都採取64位元的架構，工作時脈高達2GHz以上。 • 主要製造廠: 美商英特爾(Intel) 及美商超微半導體(AMD)

  19. CPU的演進 • 8位元CPU --- Z80 • 16位元CPU --- 80286 • 32位元CPU --- Pentium III • 64位元CPU --- Pentium 4

  20. CPU的外觀 Intel Pentium 4系列CPU AMD Althon 系列CPU

  21. CPU的指令週期 • CPU的指令可分成「運算碼」 (Operation Code, OP code)與「運算元」 (Operand)兩部分。 • 運算碼定義該指令的動作方式，例如比較運算等。 • 運算元指出運算碼的操作對象。 • CPU處理一指令所花的時間稱為CPU的指令週期。

  22. CPU的指令週期 • CPU的指令週期包括擷取、解碼、執行與儲存的四種動作。 • CPU將存放在記憶體的指令抓到CPU內存放並解碼的時間及等待執行的時間稱為擷取週期(fetch cycle) • CPU內部執行每一解碼過的指令並將結果儲存的時間合稱為執行週期(execution cycle) • CPU的指令週期包括擷取週期及執行週期，又稱為機器週期(machine cycle)

  23. CPU指令集 • CPU的指令集通常可分為複雜指令集(CISC)與精簡指令集(RISC)兩種。 • 複雜指令集(CISC): 指令數目多且複雜，學習不易，用於傳統架構的CPU之指令集。 • 精簡指令集(RISC): 精簡後的指令數目較少，執行效率較高，學習也比較容易，常用在要求高效率的CPU，如嵌入式系統之CPU等。

  24. CPU之工作時脈(1/4) • CPU內部電路的工作頻率又稱為CPU之工作時脈(clock)，是CPU效能的指標，一般稱為CPU的內頻，常以MHz (Mega Hertz，百萬赫茲)或GHz (Giga Hertz, 十億赫茲)為單位。 • CPU外部週邊設備的工作速度較CPU內部慢許多，此CPU外部週邊的工作時脈稱為外頻。 • CPU的內頻與外頻的比稱為倍頻係數，即 內頻(MHz) = 倍頻係數 x 外頻(MHz)

  25. CPU之工作時脈(2/4) • CPU執行一個指令常需要數個時脈，因此，還有以MIPS及MFLOPS來評量CPU的速度: • MIPS (Million Instructions Per Second): 指每秒執行的百萬指令數目。 • MFLOPS (Million FLoat Operations Per Second): 指每秒內執行的百萬個浮點運算的數目。

  26. CPU之工作時脈*(3/4)

  27. CPU之工作時脈*(4/4)

  28. 3-4 主機板 • 主機板是一片架構整個電腦核心的印刷電路板，又稱為母板(Main board 或 Mother board)。 • 電腦中的各項主要元件都會安裝在主機板上，或經由插槽與主機板連接。　

  29. 主機板配置圖 北橋晶片 片晶橋南

  30. 匯流排 • 匯流排(Bus)是用來傳輸CPU與主要周邊設備之間各種資料的排線。電腦的四大單元之間就是靠匯流排將資料、記憶體位址、控制訊號傳遞於各單元之間。 • 匯流排寬度(width)就是單位時間內可以傳輸的總資料數。寬度越大，傳輸效率越佳。 • 匯流排頻寬（Bandwidth）是單位時間內可以傳輸的總資料量。也是匯流排效能的指標。其公式如下： 匯流排頻寬 = 工作頻率×寬度

  31. 匯流排的種類 • 依據傳遞的信號內容可分為三種 • 資料匯流排 • 位址匯流排 • 控制匯流排

  32. 資料匯流排 (Data Bus) • 資料匯流排負責 CPU、記憶體與I/O連接埠之間的資料傳送，其為雙向傳輸方式。 • 資料匯流排有n條線的電腦，就是n位元的電腦。例: Pentium 4為64位元電腦，其資料匯流排線有64條。 • 電腦之資料匯流排排線越多，一次所傳送資料量越大，其處理資料的速度越快。

  33. 位址匯流排 (Address Bus) • 位址匯流排連接於CPU與主記憶體之間，配合控制訊號決定所要使用之記憶體的位址。 • 位址匯流排的寬度決定主記憶體的最大記憶體容量。 • 有n條排線的位址匯流排，主記憶體最大可定址到2n個記憶體位址。

  34. 控制匯流排 (Control Bus) • 負責傳送CPU執行指令時所發出之控制訊號。 • CPU送出之控制訊號有讀、寫、中斷及重置等有關傳送用途的信號。

  35. 主機板的插槽與連接埠(1/2)

  36. 主機板連接埠(2/2)

  37. 晶片組 • 主機板上有兩個負責資料傳送及工作協調的晶片稱為晶片組:北橋晶片及南橋晶片。 • 北橋晶片連接於CPU與記憶體及顯示卡之間，負責這些需要高速運作元件的資料傳輸。 • 南橋晶片負責CPU與相對較低速的週邊裝置(如滑鼠、鍵盤、硬碟機、光碟機、網路卡等)的資料傳輸與協調工作。 • 北橋晶片工作速度快、工作量大，一般均加裝散熱片，甚至附上風扇。

  38. 主機板匯流排 CPU 位於CPU與北橋晶片之間(稱FSB)，其寬度即為CPU資料匯流排的寬度，其工作頻率為CPU的外頻。 專門用來處理圖形加速卡的視訊資料，資料寬度與PCI匯流排相同，處理速度為PCI 匯流排的兩倍以上。 系統 匯流排 記憶體 匯流排 北橋晶片 記憶體 AGP匯流排 AGP顯示卡 上承北橋晶片，下接南橋經片且側通PCI插槽，是所有週邊元件的溝通途逕。資料寬度為32bit，工作頻率為33.3MHz PCI 匯流排 位於記憶體與北橋晶片之間，其資料寬度及處理速度與系統匯流排相配合。 南橋晶片 PCI匯流排 PCI網路/音效卡

  39. 3-5 主記憶體 • 主記憶體作為電腦工作時儲存資料及程式指令的位置，其容量的多寡對系統的效能影響甚大。 • 電腦的主記憶體依照存取特性可區分為 • 隨機存取記憶體（Random Access Memory, RAM） • 唯讀記憶體(Read Only Memory, ROM)。 • RAM可以隨時存入或讀取資料，但是，電源關閉後就消失，僅能作為電腦工作時的暫時記憶體。 • ROM是一種只能讀取而無法寫入資料的記憶體，其資料不會隨關閉電源而消失，常用來燒錄公用系統程式(如BIOS，基本輸入及輸出系統)。 • 一般電腦所稱的電腦記憶體容量，通常泛指RAM的百萬位元數(MB, Mega Bytes)。

  40. RAM • RAM通常由數顆記憶體晶片附著於印刷電路板上所組成，稱為記憶體模組。 • RAM 根據用途與價格可分為動態記憶體（DRAM）和靜態記憶體（SRAM）。 • DRAM的元件密度高，但需要週期性充電來保存資料,速度較慢，而價格較低廉，廣泛作為主記憶體。 • SRAM存取速度較快、不需要週期性充電來保存資料但元件密度低，價格較昂貴，一般作快取記憶體使用。

  41. 記憶體模組

  42. DRAM 的發展與分類

  43. DRAM 的發展與分類(續)

  44. DRAM 實體(例1/2) 168pin的SDRAM 184–pin Rambus

  45. DRAM 實體(例2/2) 184-pin DDR SDRAM 240-pin DDR2 SDRAM

  46. SRAM分類表

  47. 唯讀記憶體(ROM)

  48. 唯讀記憶體(ROM)

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