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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) 與主記憶體兩個部分。. 回首頁 上一頁 下一頁. 回首頁 上一頁 下一頁. 5-2 　中央處理器 (CPU).

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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) 與主記憶體兩個部分。 回首頁 上一頁下一頁

  4. 回首頁 上一頁下一頁

  5. 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

  6. 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) • 邏輯電路、速度較快 • 微程式控制 (microprogrammed control) • 微程式組成，易修改 回首頁 上一頁下一頁

  7. 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 • LOAD:由記憶體單元載入暫存器 • STORE:由暫存器儲存至記憶體單元 • 算術邏輯類型 • AND、OR、XOR等等的邏輯運算 • 控制類型 • 執行特定之指令，如JUMP 回首頁 上一頁下一頁

  8. 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。 • 暫存器分成兩大類 • 可見暫存器:程式設計人員可以直接存取。 • 控制與狀態暫存器:無法直接存取。 回首頁 上一頁下一頁

  9. 可見暫存器又分成下列幾種： • 通用暫存器 (general purpose register) • 存放資料、指令或位址，數目越多表示CPU執行效率越加，但成本也較高。 • 資料暫存器 (data register) • 存放資料 • 位址暫存器 (address register) • 紀錄存放資料之資訊 • 條件碼暫存器 (condition code register) • 存放指令執行的狀態，但由CPU寫入，程式人員只能讀取

  10. 控制與狀態暫存器又分成下列七種： • 程式計數器 (program counter) • 存放下一個執行指令在主記憶體的位址 • 指令暫存器 (instruction register) • 存放最近從主記憶體讀取出來的指令 • 記憶體位址暫存器 (memory address register) • 用來存放要存取的主記憶體位址 回首頁 上一頁下一頁

  11. 記憶體緩衝暫存器 (memory buffer register) • 存放讀取出來或是將寫入之資料的暫存功能 • ALU緩衝暫存器 (ALU buffer register) • 存放ALU的運算結果 • 中斷向量暫存器 (interrupt vector register) • 記錄系統的向量式中斷 • 程式狀態字組 (program status word) • 存放條件碼或狀態資訊

  12. 5-2-4　電腦的效能 電腦之效能可由以下方式來評估 • 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

  13. 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:每秒可完成幾百萬個指令-大型工作站 • MFLOPS:每秒可完成幾百萬個浮點運算-超級電腦 • TPS:每秒可完成幾個交易-商業交易機器 回首頁 上一頁下一頁

  14. 5-2-5CPU相關規格 • 外頻：CPU外部的工作頻率 • 倍頻：CPU核心所採用的頻率 • 內頻：CPU工作時所採用的頻率 • 封裝 • 快取記憶體(L1、L2、L3) • 匯流排寬度 • 字組大小(16、32、64bit) SECC PGA

  15. 快取記憶體(增加工作效率) • L1:64-512KB • L2:512-4MB • L3:外部獨立晶片 • 匯流排(以MHz為單位) • 系統匯流排:CPU-RAM • 擴充匯流排CPU-週邊 • 字組大小 • 固定時間內能解譯並執行的位元數

  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:記憶體位址BA資料載入暫存器R1 12BB:記憶體位址BB資料載入暫存器R1 3312:將暫存器R1與R2資料相加，再將結果儲存到暫存器R3 23B0:將暫存器R3資料儲存到記憶體位址B0 10B0:將記憶體位址B0資料載入暫存器R0 73FF:若暫存器R3資料與R0相同，就跳到記憶體位址FF去執行，否則依 序執行。

  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. 5-3-2　管線 回首頁 上一頁下一頁

  23. 回首頁 上一頁下一頁

  24. 5-3-3　超純量處理器 回首頁 上一頁下一頁

  25. 5-3-4　平行處理 SISD: 單一指令流單一資料流 MIMD: 多重指令流多重資料流 SIMD: 單一指令流多重資料流(陣列處理器) 指令流:記憶體中的連續指令 資料流:單一處理器上執行 回首頁 上一頁下一頁

  26. 5-4　記憶體 5-4-1　記憶體的種類 • 記憶體有RAM 與ROM兩種。 • RAM又分成下列兩種： • DRAM (dynamic RAM:主記憶體) • SRAM (static RAM:快取記憶體) • ROM又分成下列三種： • PROM (programmable ROM:無法更新) • EPROM (erasable PROM:可更新) • EEPROM (electronically EPROM:可更新) 回首頁 上一頁下一頁

  27. 5-4-2　記憶體的階層 • 暫存器 (register) • 快取記憶體 (cache memory) • 主記憶體 (main memory) 回首頁 上一頁下一頁

  28. 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

  29. 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，由下列三組電路所組成： • 資料線 (data line):傳送資料 • 位址線 (address line):存放主記憶體或週邊位址 • 控制線 (control line):控制訊號如讀取、寫入 • 匯流排又分為下列兩種： • 系統匯流排:CPU與主記憶體 • 擴充匯流排:CPU與週邊 回首頁 上一頁下一頁

  30. 回首頁 上一頁下一頁

  31. 主機板通常會內建下列連接埠： • 硬碟、軟碟與光碟控制介面 • PS/2埠 • 序列埠 • 平行埠 • IEEE 1394 • USB • 內建音效經片插槽 回首頁 上一頁下一頁

  32. 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

  33. 5-6　輸入/輸出的定址方式 • 定址方式主要可分為以下兩類 • 隔離I/O (isolated I/O) • 記憶體映射I/O (memory-mapping I/O)

  34. 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。 • 需設計兩組指令進行讀寫的動作 回首頁 上一頁下一頁

  35. 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。 回首頁 上一頁下一頁

  36. 5-7　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。 回首頁 上一頁下一頁

  37. 5-7　輸入/輸出介面 • 輸入/輸出介面的傳輸方式可分為以下幾種 • 程式控制I/O • 中斷式I/O • 直接記憶體存取I/O

  38. 5-7-1　程式控制I/O 回首頁 上一頁下一頁

  39. 5-7-2　中斷式I/O 回首頁 上一頁下一頁

  40. 5-7-3　直接記憶體存取 (DMA) 回首頁 上一頁下一頁

  41. 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) • 資料 (data) • 命令 (command) • 回應 (response) 回首頁 上一頁下一頁

  42. 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) 回首頁 上一頁下一頁

  43. 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 • 線上儲存裝置 V.S.離線儲存裝置 • 揮發性V.S.非揮發性 • 循序存取V.S.隨機存取 回首頁 上一頁下一頁

  44. 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

  45. 磁軌 (track) • 磁區 (sector) • 磁簇 (cluster) • 磁柱 (cylinder) 磁柱 回首頁 上一頁下一頁

  46. 硬碟的規格 • 尺寸 • 容量 • 轉速 (硬碟內部主軸馬達轉動的速度，以RPM為單位) • 硬碟控制介面 (ATA (IDE)、SATA (Serial-ATA)、SCSI、SAS (Serial Attached SCSI) ) • 磁碟快取 • 平均搜尋時間 (從硬碟找到資料位置所需要的平均時間，以ms為單位) • 資料傳輸速率 (將資料傳送給電腦的速率，以Mbps為單位) 回首頁 上一頁下一頁

  47. 磁碟陣列 • 鏡射 (mirroring): RAID 1 • 等量分配 (striping): RAID 0 回首頁 上一頁下一頁

  48. 5-10-2　磁帶 • 磁帶是在一條寬度為1/4吋 (6.3mm) 或1/2吋 (12.7mm) 的塑膠帶表面塗上磁性物質來記錄資料。 • 除了容量之外，磁帶所能儲存的資料也可以使用密度為單位，例如CPI表示每吋磁帶可以儲存幾字元，BPI表示每吋磁帶可以儲存幾位元組。 回首頁 上一頁下一頁

  49. 5-10-3　光學儲存裝置 • CD-ROM • VCD • MO • CD-R/CD-RW • DVD (DVD-ROM, MOVIE-DVD, AUDIO-DVD, DVD-R/RW, DVD+R/RW, DVD-RAM) • 藍光燒錄 (Blu-ray Disc, HD DVD) 回首頁 上一頁下一頁

  50. 5-10-4 　企業儲存系統 企業儲存系統結合了數種儲存技術，包括： • 伺服器 (server) • 磁碟陣列 (RAID) • 儲存區域網路 (SAN) • 網路磁碟機 (NAS) • 磁帶櫃 (tape library) • 光碟櫃 (optical disk library) 回首頁 上一頁下一頁

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