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第 3 章 系統單元

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第 3 章 系統單元 - PowerPoint PPT Presentation


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第 3 章 系統單元. 章節大綱. 3-1 系統單元 3-2 中央處理器 (CPU) 3-3 CPU 的設計架構與技術 3-4 記憶體 3-5 電腦與週邊通訊 3-6 輸入 / 輸出的定址方式 3-7 輸入 / 輸出介面 . 3-1 系統單元. 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CPU) 與主記憶體兩個部分。. Von Neumann 架構. 回章節大綱. 3-1 系統單元. 不同形式的系統單元 。. 回章節大綱. 3-1 系統單元. 機殼內的元件:

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章節大綱
  • 3-1 系統單元
  • 3-2 中央處理器 (CPU)
  • 3-3 CPU的設計架構與技術
  • 3-4 記憶體
  • 3-5 電腦與週邊通訊
  • 3-6 輸入/輸出的定址方式
  • 3-7 輸入/輸出介面
slide3
3-1 系統單元
  • 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CPU) 與主記憶體兩個部分。

Von Neumann 架構

回章節大綱

slide4
3-1 系統單元
  • 不同形式的系統單元。

回章節大綱

slide5
3-1 系統單元

機殼內的元件:

  • 主機板 (motherboard)
  • 電源供應器 (power supply)
  • 散熱風扇 (cooling fan)
  • 固定架 (drive bay)
  • 連接埠 (ports)

COM, LPT, PS/2, USB, IEEE1394…

回章節大綱

3 2 cpu
3-2 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。

回章節大綱

3 2 1 cu
3-2-1 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。
  • 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)

回章節大綱

3 2 1 cu1
3-2-1 控制單元(CU)
  • 硬體電路控制 V.S.微程式控制

回章節大綱

3 2 2 alu
3-2-2 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 : Load, Store
    • 算術邏輯類型: AND, OR, XOR, SHIFT, ROTATE
    • 控制類型: JUMP, BRANCH

回章節大綱

3 2 3
3-2-3 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。
  • 暫存器通常分成兩大類,其一是程式設計人員能夠存取的可見暫存器,其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器。

回章節大綱

3 2 4
3-2-4 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

回章節大綱

3 2 41
3-2-4 電腦的效能

Example : P3-11

  • 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) 指時脈計數的速度,單位為MHz (百萬赫茲) 或GHz (十億赫茲),也就是每秒鐘幾百萬次或每秒鐘幾十億次,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)(表3.3時間單位)。
  • 電腦的效能取決於時脈速度、CPI (clock cycle per instruction)和指令數目等因素。
  • 除了MHz、GHz之外,電腦的速度也可以使用MIPS、MFLOPS、TPS來描述。

回章節大綱

3 2 42
3-2-4 電腦的效能
  • 時間單位

回3-2-4 電腦的效能

回章節大綱

3 2 5 cpu
3-2-5 CPU相關規格
  • 外頻

CPU外部工作頻率,CPU存取主記憶體的速度,單位為MHz。

  • 倍頻

CPU核心所採用的頻率是外頻的倍數,倍頻。

  • 內頻

CPU工作時所採用的頻率,倍頻乘上外頻。

回章節大綱

3 2 5 cpu1
3-2-5 CPU相關規格
  • 封裝:CPU其實是一個晶片 (chip),需要將它包裝起來以玆保護,並提供腳座與外界溝通,這個包裝的過程就叫做封裝。
  • 封裝方式l:
    • DIP: 雙軸電晶組
    • PGA: 點針矩陣
    • FC-PGA: 反面點針矩陣
    • SECC: 單緣接觸卡匣
    • LGA: 平針矩陣

回章節大綱

3 2 5 cpu2
3-2-5 CPU相關規格
  • 插槽腳位:插槽腳位決定了CPU如何安插在主機板CPU插槽,不同腳位有不同的插槽,針腳數目各異。
  • 快取記憶體:快取記憶體(cache memory)是介於CPU與主記憶體之間的記憶體,存取速度較快,成本也較高,又分為二至三種層次,稱為L1快取、L2快取、L3快取。

回章節大綱

3 2 5 cpu3
3-2-5 CPU相關規格
  • 系統匯流排: 傳送CPU與主記憶體之間的資料。
  • 擴充匯流排: 傳送CPU與週邊設備之間的資料。
  • 匯流排寬度
    • 匯流排 (bus) 是主機板上面的鍍銅電路。
    • 匯流排決定了電腦一次可以同時傳送多少位元,電路愈多,匯流排寬度 (bus width) 愈大,傳送速度愈快。
    • 常用規格: 16, 32, 64位元

回章節大綱

3 2 5 cpu4
3-2-5 CPU相關規格
  • 字組大小:字組大小 (word size) 是CPU在固定時間內能夠解譯並執行多少位元。
  • 相容性:由於不同的CPU各有唯一的指令集,因此,廠商在推出新的CPU晶片前,須考慮相容性 (compatibility),特別是新的晶片能否與舊的晶片具有向下相容性。

課後自習: P3-16 PC發展史

回章節大綱

3 2 6
3-2-6 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

指令時間

執行時間

回章節大綱

3 3 cpu
3-3 CPU的設計架構與技術
  • 3-3-1 CISC V.S. RISC
  • 3-3-2管線
  • 3-3-3超純量處理器
  • 3-3-4平行處理

CISC: Complex instruction set computing

RISC: Reduced instruction set computing

前往3-4 記憶體

回章節大綱

3 3 1 cisc v s risc
3-3-1 CISC V.S. RISC
  • CISC V.S. RISC

回3-3 CPU的設計架構與技術

回章節大綱

3 3 2
3-3-2 管線
  • 在執行一個指令的過程中,CPU某個元件先完成指令某部分,再由其它元件完成指令其它部分。 

回章節大綱

3 3 21
3-3-2 管線

回3-3 CPU的設計架構與技術

回章節大綱

3 3 3
3-3-3 超純量處理器
  • 擁有多個相同元件同時執行多個指令的處理器叫做超純量處理器(superscalar processor)

回3-3 CPU的設計架構與技術

回章節大綱

3 3 4
3-3-4 平行處理
  • 平行處理是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,至於主記憶體及輸入/輸出裝置則是共用。

MIMD: Multiple-instruction stream, multiple-data stream (平行處理方式)

SIMD: Single-instruction stream, multiple-data stream (傳統處理方式)

回3-3 CPU的設計架構與技術

回章節大綱

slide26
3-4 記憶體
  • 3-4-1記憶體的種類
  • 3-4-2記憶體的階層
  • 3-4-3主記憶體的定址方式

回章節大綱

前往3-5 電腦與週邊通訊

3 4 1
3-4-1記憶體的種類

記憶體有RAM (隨機存取記憶體) 與ROM (唯讀記憶體) 。

  • RAM又分成下列兩種:
    • DRAM (dynamic RAM,動態隨機存取記憶體), 主記憶體
    • SRAM (static RAM,靜態隨機存取記憶體), 快取記憶體
  • ROM又分成下列三種:
    • PROM (programmable ROM) , 透過燒入器寫入資料
    • EPROM (erasable PROM) , 透過紫外線寫入資料
    • EEPROM (electronically EPROM) , 透過電流寫入資料

RAM: random access memory

ROM: read only memory

課後自習: P3-25 BIOS

回3-4 記憶體

回章節大綱

3 4 2
3-4-2 記憶體的階層
  • 暫存器 (register)
  • 快取記憶體

(cache memory)

  • 主記憶體

(main memory)

回3-4 記憶體

回章節大綱

3 4 3
3-4-3 主記憶體的定址方式
  • 主記憶體由許多記憶體單元 (cell) 組成,不同機器可能有不同數目的記憶體單元。
  • 為了加以辨識,每個記憶體單元都有唯一位址(address),同時這些位址是從0開始,照順序編號。

回3-4 記憶體

回章節大綱

slide30
3-5 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,由下列三組電路所組成 (圖):
    • 資料線 (data line)
    • 位址線 (address line)
    • 控制線 (control line)
  • 匯流排又分為下列兩種:
    • 系統匯流排
    • 擴充匯流排

回章節大綱

slide31
3-5 電腦與週邊通訊

PC常見的擴充匯流排:

  • 硬碟、軟碟與光碟控制介面
  • PS/2埠
  • 序列埠 (COM)
  • 平行埠 (LPT)
  • 內建音效晶片插槽
  • PCI-E

回章節大綱

slide32
3-5 電腦與週邊通訊

PC常見的擴充匯流排:

  • USB
  • IEEE 1394
  • 紅外線傳輸埠 (IrDA)
    • IrDA Data
    • IrDA Control
  • 其它擴充插槽
    • 顯示器插槽、網路卡插槽、SCSI卡插槽、數據卡插槽、音效卡插槽等擴充插槽

回章節大綱

slide33

音效卡

網路卡

回原章節

slide34
3-6 輸入/輸出的定址方式
  • 3-6-1隔離I/O
    • 在隔離I/O (isolated I/O) 中,每個週邊均有唯一位址。主記憶體與週邊使用不同之讀寫指令。
  • 3-6-2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。主記憶體與週邊使用相同之讀寫指令。

回章節大綱

slide35

隔離I/O

回原章節

slide36

記憶體映射I/O

回原章節

slide37
3-7 輸入/輸出介面

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。

輸入/輸出介面

回章節大綱

3 7 1 i o
3-7-1 程式控制I/O
  • 程式控制I/O(program-controlled I/O)又稱為輪詢式I/O(polling I/O),當CPU與週邊傳送資料時,CPU必須一直詢問輸入/輸出介面,才能掌握週邊的狀態,無法執行其它工作(圖)。

回章節大綱

3 7 2 i o
3-7-2 中斷式I/O
  • 在中斷式I/O(interrupt-driven I/O)中,CPU會先通知週邊即將開始傳送資料,之後便執行其它工作,待資料傳送完畢後,週邊會發出中斷要求(interrupt request) 通知CPU,一旦CPU收到中斷要求,就會暫時停止目前正在執行的工作,改去執行中斷要求所指定的工作(圖)。

回章節大綱

3 7 3 dma
3-7-3 直接記憶體存取 (DMA)
  • 為減少CPU負荷,當主記憶體與週邊間要傳送資料時,CPU只要將傳送類型、位址、資料的位元組數目等訊息通知DMA,就可以執行其它工作,由DMA直接向週邊取得資料,傳送給主記憶體,不再打擾CPU,電腦效能自然提昇 (圖)。

回章節大綱