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1、中央處理器(CPU)電腦內部是怎麼運作的,第四章,學習目的,講解中央處理器的各個組成元件，說明他們彼此間如何運作以及與記憶體的溝通描述電腦如何執行程式指令解釋電腦如何表示資料描述電腦如何找到指令和資料講解微電腦系統單元上的主機板的各個元件明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法,內容,CPU儲存體類型執行程式在記憶體中尋找資料系統單元微處理器半導體記憶體匯流排速度和能力,CPU,CPU,將資料轉換成資訊控制中心執行儲存在記憶體中程式指令的一組電路分成兩個主要部分控制單元(CU)算術邏輯單元(ALU),控制單元 CU(Control Unit),硬體的一部分，負責控制指示電腦系統執行程式指令
2、負責與硬體其它部分的溝通,算術邏輯單元ALU(Arithmetic/Logic Unit),負責執行算術運算動作負責執行邏輯運算動作,算術運算,加法減法乘法除法,+,-,*,/,邏輯運算,評估條件值進行比較可以比較數字字母特別字元,NOT,AND,OR,=,=,=,暫存器,各有特殊的用途速度快是個暫時存放的地方 位於 CPU 中,指令暫存器儲存目前正在執行的指令,資料暫存器儲存正等著被處理的資料儲存處理過後的結果,儲存體類型,輔助儲存體儲存以後要用到的資料長期儲存記憶體儲存最近要使用的資料暫時儲存存取速度比輔助儲存體快暫存器儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料存取速度記憶體快,儲存體容量的測
3、量單位,KB kilobyte1024 個位元組有些磁片快取記憶體MB megabyte約百萬個位元組RAM,GB gigabyte約十億個位元組硬碟CD 和 DVDTB terabytes約一兆個位元組大型硬碟,記憶體它有許多名稱,主要儲存體(primary storage)Primary memoryMain storageInternal storage主記憶體(Main memory),記憶體的主要類型,RAM隨機存取記憶體(Random Access Memory)ROM唯讀記憶體(Read Only Memory),RAM,需要電流才能保持資料揮發性(Volatile)可以讀取及修
4、改裡面的指令和資料使用者通常是指這種記憶體,RAM 裡有什麼?,作業系統目前正在執行中的程式上述程式需要的資料等著要輸出的中間結果,ROM,非揮發性(Non-volatile)負責開機的指令裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改這些指令通常是在工廠裡燒錄進去的,執行程式,CU 擷取指令放進記憶體中CU 將此指令解碼 CU 通知硬體相關部分準備採取行動將控制權轉移到硬體的相關部分執行工作控制權回到 CU,機器循環週期,I-timeCU 從記憶體中擷取(fetch)指令，然後放進暫存器中CU 將此指令解碼(decode)，並決定所需要的資料在記憶體中的位置,機器循環週期,E-time執行CU 將資料
5、從記憶體搬移到 ALU 內的暫存器中由 ALU 負責控制與執行指令控制權回到 CUCU 將運算後的結果存放在記憶體或暫存器中,系統時鐘,系統時鐘以固定的速率製造脈波每個脈波就是一個機器循環週期一個程式指令可能是由一串給 CPU 的小指令所組成每一個 CPU 指令至少必須要花一個脈波才能完成每一種類型的 CPU 都有一組指令集 也就是它能了解與處理的指令,在記憶體中尋找資料,記憶體中的每個位置都會被標示一個獨一無二的位址(address)位址不會改變內容可能會改變每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料程式設計師會使用符號位址,資料表示法開/關(On/Off),使用二進位系統來表示電路的狀態,1
6、,0,ON,OFF,位元、位元組、字組,位元(BIT)Binary DigIT電路開或關(On/off)1 或 0位元組(BYTE)8 個 bit每一個位元組可儲存一個字元字組(WORD)暫存器的大小CPU在處理時當做一個單位的位元個數,編碼機制,ASCII使用一個包含8個位元的位元組28=256 種可能的組合或字元用在幾乎所有的 PC 和許多較大型的電腦EBCDIC使用一個包含8個位元的位元組28=256種可能的組合或字元主要用在 IBM 相容的大型主機Unicode使用兩個包含8個位元的位元組(16 個位元)216=65,536 種可能的組合或字元可支援世界上所有語言所需要的字與 ASCI
7、I 回溯相容,系統單元黑盒子,放置電腦元件主機板 儲存設備連線有些Apple Macintosh電腦則是把系統單元放在螢幕外殼裡,系統單元黑盒子,主機板包含微處理器晶片記憶體晶片與其它硬體部分的連線其它可能加入的晶片 如數學輔助處理器,系統單元黑盒子,儲存設備硬碟機軟碟機CD-ROM 光碟機DVD-ROM光碟機,微處理器,CPU 是蝕刻在一個晶片上晶片大小是 x 吋由矽元素組成包含數百萬個電晶體它是可控制電流通過的電子閘門,微處理器的組成元件,控制單元 CU算術邏輯單元 ALU暫存器系統時鐘,發明出更好的微處理器,將整個電腦的電路放進一片微晶片中更便宜更快執行先前由其他硬體所負責的功能數學輔助
8、處理器現在是微處理器的一部分多媒體指令現在也成了微處理器的一部分,發明出更好的微處理器,電腦跑得更快造價更便宜更穩定,合併到微處理器上的功能越多：,微處理器的種類,IntelPentiumCeleron Xeon 和 Itanium,Intel 相容CyrixAMD,微處理器的種類,PowerPC由 Apple、IBM 和 Motorola 所合作設計主要是用在Apple Macintosh個人電腦家族上它也可以用在伺服器與內嵌式系統中Alpha由Compaq(康柏)所製造用在高階伺服器與工作站上,半導體記憶體,可靠度高體積小低價位低功率可大量製造符合經濟效益揮發性Monolithic晶片上的
9、所有電路構成了一個不可分割的儲存單元,半導體記憶體CMOS,互補金氧半導體(Complementary metal oxide semiconductor)只耗用一點點電力用在 PC 上儲存電腦在開機過程所需要的硬體設定資訊藉由電池的電力使它在電腦關機後仍然保存著資料,RAM,保存目前執行中程式的指令與資料在記憶體裡的資料可以被隨機存取存取方便且快速揮發性電源關閉後 RAM 上的資料就會消失RAM 上的資料可以被修改,RAM 的種類,SRAM只要有電力，儲存內容就會依舊存在速度比 DRAM 快,RAM 的種類,DRAM必須持續充電因為它的體積與價格的優勢，大多數的 PC 記憶體都使用它SDRA
10、M 比較快的一種 DRAMRambus DRAM速度比 SDRAM 快價格較貴,擴充 RAM,購買封裝在電路板上的記憶體模組SIMM 晶片是安裝在電路板的一邊DIMM 晶片是安裝在電路板的兩邊你能安裝的RAM數量最多是多少，取決於主機板的設計,ROM,在工廠製造時便燒錄了永久的程式和資料可以被讀取可以被使用使用者不能修改儲存電腦開機時所需要啟動的開機程序非揮發性,PROM,可程式化(Programmable)ROMROM 燒錄器(ROM burner)可以修改某些特殊 ROM 晶片上的指令,系統匯流排,一組傳送電子訊號的電路系統匯流排負責在 CPU 與記憶體之間傳送資料匯流排寬度電腦一次可以傳
11、輸的資料位元數通常會和 CPU 的字組(word)大小一致速度是用 megahertz(MHz)來衡量,系統匯流排,CPU 可以支援較大的數字精確度以及更多種類的指令,擴充匯流排,連接到擴充槽將擴充電路板插入擴充槽裡介面卡(interface card)adapter card提供外部的連接端/連接埠序列埠平行埠,擴充匯流排,PC 匯流排與連接埠,速度和運算能力,是什麼因素讓某台電腦比其他電腦更快呢？微處理器的速度匯流排的大小有沒有快取(cache)快閃記憶體RISC 電腦平行處理,電腦運算速度,完成指令執行所需要的時間千分之一秒(Millisecond)百萬分之一秒(Microsecond)
12、十億分之一秒(Nanosecond)目前新型的電腦兆分之一秒(Picosecond)未來的電腦,微處理器的速度,時鐘速度百萬赫茲(Megahertz，MHz)十億赫茲(Gigahertz，GHz)每秒完成的指令個數每秒一百萬個指令(MIPS)電腦處理複雜數學計算的能力每秒一百萬個浮點運算(Megaflop),快取(Cache),它是一塊小但非常快速的暫存記憶體目的為了加速內部資料和軟體指令的傳輸存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令,快取(Cache),第 1 步處理器要求擷取資料或指令,第 2 步到主記憶體中的該位址去讀取,第 3 步傳送到 CPU 和快取中,下一次微處理器需要資料或指令時
13、先到記憶體快取中尋找找不到再到記憶體中尋找,處理器,RAM,快取,快取的種類,內部快取第一級(L1)內建在微處理器中最多到 128KB外部快取第二級(L2)在單獨晶片上256KB 或 512 KBSRAM 技術它比L1快取便宜但是較慢比記憶體快但是較貴,快閃記憶體,非揮發性 RAM使用在行動電話數位相機數位錄音器PDA,指令集,CISC 技術複雜指令集計算模式一般傳統電腦其中許多指令很少用到RISC 技術精簡指令集計算模式只提供一小組指令速度增快適合很少用到複雜指令的程式繪圖領域工程領域,運算處理的種類,循序處理每次只執行一項指令擷取、解碼、執行、儲存平行處理同一時間有多個處理器同時工作有能力處理每秒鐘數兆個浮點數運算指令例如網路伺服器與超級電腦,運算處理的種類,管線技術(Pipelining)指令的動作並不需要在下一個指令開始運作前完成例如指令 1 完成擷取動作開始解碼後，就可以開始擷取指令 2,
