第七章 計算機組織與結構

1. 資電學院計算機概論F7810 第七章 計算機組織與結構 陳邦治編著 旗標出版社

2. 本章重點 • 計算機硬體是由記憶單元(memory unit)、控制單元(control unit)、算術/邏輯單元( Arithmetic and Logic Unit；ALU )、輸入單元(input unit)及輸出單元(output unit)等五大單元所組成 • 通常會將記憶單元、控制單元及算術/邏輯單元合稱為中央處理單元(Central Processing Unit；CPU)，但是若是指個人電腦的CPU則只包含控制單元及算術/邏輯單元並不包含記憶單元 • 本章將介紹計算機硬體的相關知識及技術

3. 大綱 • 記憶單元 • 中央處理單元 • 輸入及輸出單元 3 3

4. 記憶單元 • 記憶單元可分為 • 主記憶體(main memory) • 輔助記憶體(auxiliary memory)

5. 主記憶體 • 主記憶體的組成元件最早是利用真空管來製作，後來利用磁蕊來取代真空管，目前則是以半導體來製作主記憶體。 • 關於主記憶體有一項十分重要的觀念： 程式執行前必須先載入到主記憶體中 這句話代表了主記憶體在計算機系統中的地位，如果程式無法載入主記憶體根本就無法執行，因此主記憶體的容量多寡對於計算機系統的效能有十分重大的影響

6. 主記憶體 (cont.) • 主記憶體分為五個區域 • 作業系統區：作業系統載入的區域 • 工作暫存區：暫時存放資料的區域 • 應用程式區：應用程式載入的區域 • 輸入緩衝區：資料輸入電腦後暫時存放的區域 • 輸出緩衝區：資料輸出電腦前暫時存放的區域

7. 主記憶體的種類 • 主記憶體可區分成「隨機存取記憶體」 (Random Access Memory ；RAM) 及「唯讀記憶體」 (Read Only Memory；ROM) 二種 • 「隨機存取記憶體」中資料在電源關閉後會消失不見，因此本類記憶體屬於「揮發性記憶體」(volatile memory) • 「唯讀記憶體」中資料不會因電源關閉而消失，可用來儲存開機用的基本程式。屬於「非揮發性記憶體」 (non-volatile memory)的一種

8. RAM和ROM的分類表 由於RAM與ROM在電腦內部所佔的比例十分懸殊，ROM通常不到1%，而在RAM中DRAM所佔的比例又遠高過SRAM，因此通常只要沒有特別說明，主記憶體指的就是DRAM

9. BIOS • 「BIOS」(Basic Input Output System；基本輸出入系統) • BIOS程式段存放在唯讀記憶體(ROM)中，程式段包含了描述電腦輸出入作業的基本程式及開機時系統的基本測試程式

10. 主記憶體的問題 • 因為DRAM在主記憶體中所佔的比例很高(通常在99%以上)，而DRAM有一項很重要的特性：「當電源關閉時，存放在DRAM中的資料會全部流失」 • 以個人電腦為例，在個人電腦中，主記憶體還有「主記憶體容量不夠大」的問題 • 目前市售個人電腦的主流規格主記憶體容量大約是2 G bytes，這樣的容量不算大(隨便一顆硬碟就可以有200 G bytes的容量)

11. 使用輔助記憶體的原因 • 需要有某些儲存裝置可滿足以下二項特性： • 當電源關閉時，存放在儲存設備中的資料會不會流失。 • 容易擴充容量。 • 當儲存裝置可以滿足以上二項特性時，便可以改善主記憶體的缺點，這類型的儲存裝置被稱為輔助記憶體 • 輔助記憶體用來做為資料備份之用 • 常見的輔助記憶體 • 磁碟、光碟、磁帶、隨身碟、記憶卡與隨身硬碟

12. 磁碟 因為已有光碟片、隨身碟、記憶卡及行動硬碟等更具親和性的替代儲存設備可使用，因此目前已經很少人會使用磁片來做為輔助儲存設備

13. 硬碟 • 硬碟具有存取速度快、高儲存量及價格低廉等三大特點因此是最常用的輔助儲存設備 • 硬碟機是由轉軸串接多個磁盤所構成，磁盤的二面均可儲存資料，每一個磁盤面(簡稱磁面)都會有一個讀寫頭，資料的存取必須藉由讀寫頭才能完成

14. 硬碟機運作的原理

15. 硬碟分類 • 通常硬碟分為2.5吋及3.5吋二種，2.5吋硬碟一般使用在筆記型電腦上，而3.5吋硬碟則是使用在個人電腦或伺服器上

16. 光碟 (optical disc) • 光碟是目前使用十分普及的輔助記憶體，可分為CD光碟、DVD光碟及藍光光碟三種

17. CD光碟 • CD光碟(Compact Disc)是1980年時由SONY及Philips二家公司所共同研發之產品，標準容量可儲存650 M bytes的資料或74分鐘的影音資料 • 常見的CD光碟可分為以下三類

18. DVD光碟 • DVD光碟技術是由CD 光碟技術改良而得，傳統的CD 光碟技術是利用波長為780奈米波長的雷射光來讀取資料，可在直徑12公分的CD光碟上儲存650 M bytes 的資料。若縮短雷射光波長，便可提高CD 光碟之儲存容量 • 早期的DVD光碟 (Digital Video Disc)便是利用此項技術並結合MPEG-2 技術而製造出來，它的容量是CD光碟的4倍。在1995年制定新的DVD光碟規格，將DVD 光碟更名為數位多用途光碟(Digital Versatile Disc) • 新一代的DVD光碟允許雙面存放資料並使用「半透射二層讀取技術」，這項技術可以在光碟片的同一面儲存雙層資料，所以DVD光碟的儲存容量比CD光碟大非常多

19. 常見的DVD光碟 • 上表中的DVD-R/DVD-RW及DVD+R/DVD+RW光碟是二種不相容的規格，早期的燒錄器或DVD播放器，只能支援其中一種光碟片的存取動作，但是現在的燒錄器或DVD播放器幾乎都可以同時支援這二類光碟片的存取動作。目前市售的DVD光碟若依容量來區分有4.7 G bytes (單面單層)及8.5 G bytes (單面雙層)二種 • 因為光碟有存取設備普及度高、容量大、易保存及價格低廉等優點，因此光碟是普及程度很高的輔助記憶體

20. DVD RAM • DVD RAM是光碟片的一種，與傳統光碟主要有二點不同： • 傳統光碟(CD-R、CD-RW、DVD-R、DVD-RW、DVD+R或DVD+RW)在刪除資料時必須將整個光碟片的資料完全清除，但DVD RAM允許只刪除部份資料 • 傳統光碟資料寫入模式為循序方式，而DVD RAM允許以隨機方式寫入資料

21. 光碟機資料讀取的原理

22. 燒錄器寫入資料的原理

23. 範例 • 市面上常見的CD光碟常標示「52×」，DVD光碟常標示「16×」請問這類型符號代表何種意義？ • 解： CD光碟標示「52×」代表CD光碟片資料存取的速度，以「1×」代表「1倍速」是指CD光碟片存取資料的速度為每秒150K bytes，所以「52×」便是代表「52倍速」，而CD光碟片存取資料的速度為每秒52×150K bytes DVD光碟標示「16×」代表DVD光碟片資料存取的速度，以「1×」代表「1倍速」是指DVD光碟片存取資料的速度為每秒1385K bytes，所以「16×」便是代表「16倍速」，而DVD光碟片存取資料的速度為每秒16×1385K bytes

24. 藍光光碟（Blu-ray Disc；BD） • 藍光光碟是由SONY及松下電器等企業組成的藍光光碟聯盟（Blu-ray Disc Association）所提出的新一代光碟技術 • 傳統的CD及DVD光碟分別採用780及650奈米波長的紅光讀寫器來讀寫資料，而藍光光碟則是採用405奈米波長的藍光讀寫器來讀寫資料 • 因為藍光的波長比紅光短，因此在相同大小的光碟面積上可儲存比傳統CD及DVD光碟更多的資料，藍光光碟單層容量可達25 G bytes

25. 磁帶 • 磁帶(magnetic tape)是利用磁帶表面磁性物質是否被磁化以表示該點的資料是0或1。當要存取磁帶中的資料時，必須固定磁帶通過讀寫頭的速度 • 為了讓資料可正常存取，磁帶上儲存資料的區域與區域之間便必須保留一定長度的空隙供磁帶由靜止狀態加速至能使資料被存取的速度，此空隙稱為IBG(Inter Block Gap) • 「磁帶記錄密度」是指單位長度內記錄的資料量，通常以BPI(Byte Per Inch)來表示「磁帶記錄密度」，常見的BPI值為800或1600 • 若BPI值為1600代表磁帶每英吋可存放1600 bytes的資料 • 通常磁帶只會使用在伺服器上，用來做為大量資料備份的用途

26. 資料區段化 • 資料區段化是指對資料作分段處理以利計算機或程式使用 • 磁帶中資料區段化之方法有二種，分別是「邏輯記錄」(logical record)及「實際記錄」(physical record) • 程式一次輸出入動作所能處理的資料量稱為「邏輯記錄」 • 「實際記錄」則是指機器一次輸出入動作所能處理的資料量

27. 磁帶存取動作 • 因為磁帶只能支援循序存取動作，如此一來將使得磁帶的存取速度較慢，不適用於及時作業

28. 範例 • 假設有一個長度為1000呎(feet)的磁帶，「磁帶記錄密度」為1600 bpi，每個記錄的長度固定為80 bytes，如以10個記錄組成一個區塊(block)，而IBG為0.25吋(inch)，則此磁帶可儲存的記錄的數量為何？ • 解：160000個 1呎＝12吋 1000呎＝1000 ×12吋＝12000吋 每個區塊之空間需求量為80×10＝800 (bytes) 每個區塊的長度為＝800/1600＝0.5(吋) 由題意知IBG為0.25吋， 所以每個區塊實際佔用的長度為0.5+0.25=0.75(吋) 題意中長度為1000呎的磁帶可儲存的區塊數量為12000/0.75＝16000 所以此磁帶可儲存的記錄的數量為16000×10＝160000

29. 範例 • 某一資料檔案有2345 個記錄資料，每個記錄的長度固定為100 bytes，如以10個記錄組成一個區塊(block)，若「磁帶記錄密度」為2000 BPI且IBG為0.5吋，試問這批資料需佔用多少磁帶長度？ • 解：235吋 每個區塊之空間需求量為100×10＝1000 (bytes) 每個區塊的長度為＝1000/2000＝0.5(吋) 由題意知IBG為0.5吋， 所以每個區塊實際佔用的長度為0.5+0.5=1(吋) 區塊數量為2345/10=234.5 視同235個區塊 這批資料需佔用的磁帶長度為235 ×1＝235(吋)

30. 隨身碟 • 隨身碟是指可以隨身攜帶的一種輔助記憶體 • 記憶元件為「快閃記憶體」(flash memory) • 「快閃記憶體」技術最早是由Toshiba所提出，屬於非揮發型記憶體，也就是說即使電源關閉資料也不會流失 • 快閃記憶體可執行三項動作，分別是寫入、讀出及清除。隨身碟利用USB介面與電腦連接，市售的隨身碟容量多為1 G bytes以上

31. 記憶卡 • 記憶卡的記憶元件也是「快閃記憶體」，主要被使用在數位相機、PDA及手機上 • 記憶卡體積小、容量大(主流規格至少有1 G bytes)、價格便宜，所以普及程度很高 • 沒有統一的規格，例如數位相機採用記憶卡規格會因廠商不同，記憶卡規格就不相同 • 常見的SONY數位相機採用Memory Stick規格的記憶卡，而富士及Olympus 數位相機則是採用xD規格的記憶卡，其他廠牌的數位相機則可能採用SD卡或CF卡

32. 行動硬碟 • 行動硬碟是指可隨身攜帶的硬碟。行動硬碟是利用2.5吋硬碟配置一個硬碟外接盒組合而成 • 行動硬碟特性與一般硬碟相同，但多了一般硬碟所沒有的便利性 • 目前市售的行動硬碟之主流規格多為200G bytes以上，價格介於2,000元~4,000元之間

33. 中央處理單元 • 本節是由個人電腦的角度來說明中央處理單元的組成及各個元件的任務，另外也會一併介紹與中央處理單元相關的硬體知識，例如字組、時脈頻率、指令週期、管線技術、CPU效能評估及直接記憶體存取等

34. CPU的組成 • 中央處理單元(Central Processing Unit；CPU)是電腦系統硬體中最重要的部份，它掌控整個電腦系統的運作 • 目前較常見的CPU如Intel 的Itanium、AMD的Opteron (K 8)等等 • CPU包含了「儲存單元」，「算術/邏輯單元」與「控制單元」，但一般在個人電腦中的CPU僅含「算術/邏輯單元」與「控制單元」，「儲存單元」是獨立的單元，而各個不同的單元之間是透過匯流排(bus)來溝通

35. 個人電腦CPU的組成 觀察右圖，可發現CPU中除了「算術/邏輯單元」、「控制單元」及匯流排外，還包含了「暫存器」(register)與「快取記憶體」(cache memory)。「

36. 暫存器 • 「暫存器」是CPU內部的儲存單元，主要的作用是暫時存放資料使用，存取的速度非常快，但因硬體成本高，所以數量不多 • 「算術/邏輯單元」及「控制單元」內都含有暫存器

37. 快取記憶體 • 「快取記憶體」是介於「暫存器」及「主記憶體」二個單元間的儲存設備 • 因為「暫存器」與「主記憶體」間存取速度相差太大，若「暫存器」與「主記憶體」間直接進入資料的輸出入動作將可能使得CPU閒置(idle)時間太長，因此在「暫存器」與「主記憶體」之間再加入一種儲存設備「快取記憶體」，而「快取記憶體」的存取速度介於「暫存器」與「主記憶體」之間

38. 範例 • 請將下列儲存設備依「存取速度」由快至慢依序排列 硬碟、快取記憶體、DRAM、光碟、磁片、磁帶、暫存器 • 解： 暫存器、快取記憶體、DRAM、硬碟、光碟、磁片、磁帶

39. 「字組」與「時脈頻率」 • 「CPU一次可處理的的資料量」及「CPU的處理速度」是二項經常被用來比較「電腦好或壞」的標準 • 若能瞭解本節將介紹的「字組」與「時脈頻率」這二個主題，自然也就瞭解「CPU一次可處理的資料量」及「CPU的處理速度」之相關觀念

40. 「字組」(word) • 中央處理單元一次可處理的資料量稱為一個「字組」，因此若中央處理單元為64位元則代表使用該款中央處理單元的電腦內一個「字組」等於64位元。「64位元電腦」是指電腦的中央處理單元一次可以處理64個位元的資料 • 常見的「32位元電腦」或「64位元電腦」是指計算機內部執行運算時是以32位元或64位元為單位，換句話來說也就是計算機的資料匯流排寬度 • 結論： • 資料匯流排為 n bits 的計算機，一次可處理 n bits 的資料，可稱此類電腦為「n 位元電腦」

41. 「時脈頻率」(clock speed rate) • CPU的「時脈頻率」代表CPU處理的速度 • clock每振盪一次代表CPU可完成一個基本的運算 • 若CPU的「時脈頻率」為3 GHz便是代表clock每秒振盪3×109次，也就是說CPU在每秒鐘內可完成3×109個基本運算

42. 範例 • (1)3GHz CPU是指何種意義？(A) CPU每秒可以執行30億個機器指令 (B) CPU每秒可以執行30億行的程式碼 (C) CPU的時鐘脈衝每秒30億次 (D) CPU內的快取記憶體有30億個位元組 • (2)個人電腦的規格中，對於其所使用的CPU編號後，常跟有一個數字，如486DX4-100和AMD K6-300等。這100和300代表什麼意義﹖(A) 記憶體容量　(B) 時脈頻率(clock speed rate) (C) 資料線個數　(D) 出廠年份 • (3)mega hertz或MHz所代表的意思為：(A) 每一秒有一百萬個機器循環週期 (B) 每一秒有十億個機器循環週期 (C) 每一秒有一兆個機器循環週期 (D) 每一秒有一萬個機器循環週期 • 解：(1) A (2) B (3) A

43. 算術及邏輯單元 • 「算術/邏輯運算單元」主要執行的功能包括了加法、減法、乘法、除法等算術運算及AND、OR、NOT等邏輯運算 • 本單元內有一個相當重要的暫存器，稱為「累積器」(accumulator) • 「累積器」主要是執行算術運算或邏輯運算時會被用來作為存放計算結果使用，並且可用來做資料的移位或旋轉之用途

44. 控制單元 • 「控制單元」是CPU的核心部分，負責控制計算機中所有單元的運作並負責協調的工作，也就是說「控制單元」必須負責資料流及指令流的流向及相關處理工作 • 「控制單元」主要是由暫存器所組成的

45. 「控制單元」內的暫存器

46. 範例 • 計算機內部的暫存器通常數量極為有限，它不像RAM一樣，數量可以大幅增加，為什麼？ • 解： 因為暫存器的成本太高。另外，若大幅增加暫存器數量，將使得CPU設計的複雜度提高並影響CPU的實體體積。基於以上理由，所以計算機內部的暫存器數量十分有限

47. 匯流排 • 電腦系統中各硬體單元間聯絡的管道主要是藉由資料匯流排(data bus)、位址匯流排(address bus)及控制匯流排(control bus)等三種匯流排來完成 • 匯流排相關資料詳列如下表 當CPU需要存取記憶單元內的資料時，必須先由位址匯流排送出該筆資料的位址，然後才能對該筆資料的內容進行存取動作。位址匯流排的位元數可決定計算機系統內記憶單元的最大容量

48. 範例 • 一般電腦主機板內的匯流排(Bus)寬度是以什麼為單位？(A) 英呎(feet) (B) 位元(bit) (C) 百萬赫芝(MHZ) (D) 英吋 (inch)。 • 解：B 電腦主機板內的匯流排寬度是以位元為單位，如80286的位址匯流排為24位元，則可定址的範圍為224記憶體單元

49. 範例-- 已知位址線數目求定址範圍 • 假設某計算機系統的位址匯流排有30 bits(即30條位址線)，則該系統可定址的最大範圍是230 (1G bytes)個記憶體單位

50. 範例--已知定址範圍求位址線數目 • 假設某計算機系統的記憶體有4 G bytes (4 G=232)，此時必須要有32條位址線才能對4 G bytes做定址動作