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計算機概論

計算機概論. 第 2 章 電腦的系統單元. 主講人：沈宗南 世新大學多媒體中心 E-mail: jason@mmc.shu.edu.tw. 2-1 　電腦的基本單位. 位元 (bit ， binary digit 的簡寫 ) 位元組 (byte) 中文字需要 2 個位元組來表示 字元 (character) 字組 (word) 雙字組 (double word) 四字組 (quad word).

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Presentation Transcript

  1. 計算機概論 第2章 電腦的系統單元 主講人：沈宗南 世新大學多媒體中心 E-mail: jason@mmc.shu.edu.tw

  2. 2-1　電腦的基本單位 • 位元(bit，binary digit 的簡寫) • 位元組(byte) • 中文字需要 2 個位元組來表示 • 字元(character) • 字組(word) • 雙字組 (double word) • 四字組 (quad word)

  3. 電腦的儲存容量是以位元組 (byte)為單位，一個位元組等於8個位元，而KB、MB、GB、TB、PB、EB等單位，分別等於1,024 (210)、1,048,576 (220)、1,073,741,824 (230)、240、250、260位元 • 電腦的資料傳輸速率是以bps為單位，表示每秒鐘傳輸多少位元，而Kbps、Mbps、Gbps等單位，分別表示每秒鐘傳輸1,024 (210)、1,048,576 (220)、1,073,741,824 (230) 位元

  4. 2-1-1　八進位與十六進位系統 • 二進位系統(binary system) 是以0、1等兩個數字做為計數的基底 (base) • 八進位系統(octal system) 是以0、1、2 ~ 7等八個數字做為計數的基底 • 十六進位系統(hexadecimal system) 是以0、1、2 ~ 9、A、B、C、D、E、F等十六個數字做為計數的基底

  5. 2-1-1　八進位與十六進位系統 • 十進位：滿 10 進 1 9 + 1 -------- 99 + 1 -------- 10 100

  6. 2-1-1　八進位與十六進位系統 • 二進位：滿 2 進 1 1 + 1 -------- 11 + 1 -------- 102 1002

  7. 2-1-1　八進位與十六進位系統 • 八進位：滿 8 進 1 7 + 1 -------- 17 + 1 -------- 108 208

  8. 2-1-1　八進位與十六進位系統 • 十六進位：滿 16 進 1 9 + 1 -------- F + 1 -------- 1F + 1 -------- FF + 1 -------- A16 1016 2016 10016

  9. 2-1-1　八進位與十六進位系統 • 可透過「小算盤」來切換或練習

  10. 21：黑白 2 階 28：256 灰階 影像的色彩深度

  11. 22：4 色 224：16,777,216 色 影像的色彩深度

  12. 十六進位系統 • 網頁的色彩表示法

  13. 問題… • 十進位的 32 • 二進位 = ? • 八進位 = ? • 十六進位 = ?

  14. 2-1-2　編碼系統 • ASCII是目前使用最廣泛的編碼系統，可以表示128(27)個字元 • EBCDIC和ASCII-8兩種編碼系統都可以表示256 (28) 個字元 • Unicode編碼系統可以表示65,536 (216)個字元，前128個字元符號和ACSII相同 • 繁體中文的編碼系統有BIG5 (又稱大五碼)、王安碼、CCCII碼…，其中以資策會設計的BIG5碼最普遍

  15. 2-2　透視系統單元 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CPU) 與主記憶體 (main memory、primary storage) 兩個部分

  16. 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)

  17. 主機板

  18. 1 Byte: 位元組 = 8 Bits 1 KB : 千位元組 = 210 Bytes = 1,024 Bytes 1 MB : 百萬位元組 = 220 Bytes = 1,048,576 Bytes 1 GB : 十億位元組 = 230 Bytes = 1,024 MB = 1,024 * 1,048,576 Bytes 1 TB = 240 Bytes = 1,024GB = 1,048,576 * 1,048,576 Bytes

  19. 問題… 一般3.5吋的磁片, 容量大概是1.44MB, 大約可以儲存多少個中文字? 1.44*1024*1024=1,509,949.44個位元組

  20. 2-3　中央處理器 (CPU) • CPU是 “Central Processing Unit” 的簡寫，又稱為「微處理器」或「處理器」，主要負責電腦的算術運算、邏輯運算與程式執行。

  21. CPU 的種類 • 以 Intel 的 Pentium 4 (奔騰)、Celeron (賽揚) 與 AMD 的 Athlon XP (速龍)、Duron (杜龍) 為市場上的主流：

  22. CPU 的種類

  23. 2-3-1　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： • 硬體拉線控制(hardwired control) • 微程式控制(microprogrammed control)

  24. 2-3-2　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 • 機器指令有下列三種類型 • 資料傳送類型 • 算術邏輯類型 • 控制類型

  25. 2-3-3　暫存器 • 暫存器 (register) 是CPU內部的記憶體單元，用來暫時存放要進行運算的資料或暫時存放已經運算完畢的資料 • 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(user visible register)，其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器(control and status register)

  26. 可見暫存器又分成下列幾種： • 通用暫存器(general purpose register) • 資料暫存器(data register) • 位址暫存器(address register) • 條件碼暫存器(condition code register)

  27. 控制與狀態暫存器又分成下列幾種： • 程式計數器(program counter) • 指令暫存器(instruction register) • 記憶體位址暫存器(memory address register) • 記憶體緩衝暫存器(memory buffer register) • ALU緩衝暫存器(ALU buffer register) • 中斷向量暫存器(interrupt vector register) • 程式狀態字組(program status word)

  28. 暫存器 V.S. 主記憶體 p.2-17 圖表2-21 各種記憶體的長相

  29. 2-3-4　機器循環週期 • 指令擷取(instruction fetch) • 指令解碼(instruction decode) • 指令執行(instruction excution) • 結果存回(result restored)

  30. 2-3-5　電腦的速度 • 時脈(timer) 或時鐘(clock) • 時脈的單位為MHz(百萬赫茲) 或GHz (十億赫茲) • 時脈每跳動一次稱為一個滴答(clock tick) • 時脈產生器(clock generator) • MIPS、MFLOPS、TPS • ms 、 μs 、 ns (奈米) 、 psec

  31. 2-3-6CPU相關規格 • 外頻 • 倍頻 • 工作頻率 (內頻) • 封裝 (DIP、PGA、FC-PGA、SECC …) • 插槽腳座 • 快取記憶體 (L1快取、L2快取、L3快取) • 匯流排寬度 • 字組大小 • 相容性 外頻 * 倍頻 = 內頻

  32. 問題… 存取速度大競賽– 請排名 暫存器 主記憶體 快取記憶體 暫存器 1 主記憶體 3 快取記憶體 2

  33. 2-4CPU的設計架構與技術 • 2-4-1CISC V.S. RISC • RISC (Reduced Instruction Set Computing，精簡指令集)的代表為Sun SPARC系列、PowerPC系列 (也就是麥金塔所使用的CPU)、MIPS RXXX系列、HP PA-RISC系列及IBM RS/6000 • CISC (Complex Instruction Set Computing，複雜指令集) 的代表為Intel x86系列、Motorola 680x0系列

  34. 2-4-2　管線 (Pipeline)

  35. 2-4-3　超純量處理器 擁有多個相同元件以同時執行多個指令的處理器

  36. 超純量處理器配合管線技術

  37. 2-4-4　平行處理 一部電腦裡面有多個處理單元，每個處理單元都像是一個CPU，可以獨立執行工作

  38. CPU 與記憶體之間運作的情形

  39. RAM Random Access Memory 隨機存取記憶體 ROM Read Only Memory 唯讀記憶體 2-5　記憶體

  40. 2-5　記憶體 • DRAM大多是做為主記憶體，用以儲存電腦的程式、指令等資料 • SRAM大多是做為快取記憶體 • ROM大多是儲存BIOS，因為ROM所儲存的資料不會隨著電源的關閉而消失

  41. 2-5-1　動態隨機存取記憶體 (DRAM) • FPM RAM (Fast Page Mode RAM) • EDO RAM (Extended Data Output RAM) • Burst EDO RAM • SDRAM (Synchronize DRAM) • VCM (Virtual Channel Memory) • DRDRAM (Direct Rambus DRAM) • DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

  42. 2-5-2　靜態隨機存取記憶體 (SRAM) • 2-5-3　唯讀記憶體 (ROM)

  43. BIOS

  44. 2-6　電腦與週邊通訊 電腦內部的電子訊號是由匯流排 ( bus ) 進行傳送，而匯流排又可以分成下列兩種： • 系統匯流排 (system bus) • 擴充匯流排 (expansion bus)

  45. 個人電腦常見的擴充匯流排： • ISA • MCA • EISA • VL • PCI • AGP • 3GIO

  46. 硬碟控制卡、軟碟機控制卡、光碟機控制卡 • PS/2埠：連接PS/2鍵盤及PS/2滑鼠 • 序列埠：一次可以傳送一個位元，傳輸速率較慢 • 平行埠：一次可以傳送多個位元，傳輸速率較快 • USB：可以串接127個週邊，支援隨插即用與熱抽換 ，USB 1.0/1.1的傳輸速率為12Mbps，USB 2.0的傳輸速率則為480Mbps • IEEE 1394： 可以串接63個週邊，支援隨插即用與熱抽換。IEEE 1394A的傳輸速率有S100 (98.304Mbps)、S200 (196.608Mbps)、S400 (393.216Mbps) 三種，而IEEE 1394B有800Mbps、1.6Gbps甚至3.2Gbps以上的傳輸速率

  47. 紅外線傳輸(IrDA)：分成IrDA Data和IrDA Control兩種標準，前者為點對點、短距離 (1-2公尺)、傳輸速率為9,600bps-4Mbps、雙向傳輸的高速紅外線傳輸標準；後者為點對點、點對多點、距離較長 (5公尺)、傳輸速率為75Kbps、雙向傳輸的低速紅外線傳輸標準 • 其它擴充插槽

  48. 個人電腦的外觀

  49. 電腦的主機世界

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