電腦硬體概論 電腦分類 電腦速度 CPU相關技術 記憶體相關技術 輔助儲存設備相關技術 輸出、輸入設備相關技術 硬體發展趨勢 參考課本三、四、五章
電腦分類 超級電腦(supercomputer)、大型主機 (mainframe) 醫院主機、氣象用電腦、軍事用電腦 (迷你電腦)、工作站(workstation) IC設計、學校主機 個人電腦、筆記型電腦(notebook)、平板電腦 (Tablet PC) PDA(個人數位助理,Personal Digital Assistant)、PDA手機 (內嵌式電腦) 電視遊樂器、印表機、汽車、洗衣機、手機內也 常常有電腦
電腦速度(一) 「電腦速度」,真正的指標是電腦解決問題的時 間(有時難以量度),一般有以下的幾種參考指標: CPU clock rate:目前最高大約是3-4G MIPS(million instructions per second) MFLOPS(每秒鐘百萬次浮點運算) 註:浮點運算:13.7 x 0.07 這類的運算 以上這些指標,過度重視CPU的表現,而忽略了 電腦整體的表現,其實IO以及記憶體速度也相 當影響電腦的速度。
電腦速度(二) 公認測試程式: SPEC (http://www.spec.org),測運算速度 TPC (http://www.tpc.org),測跑資料庫速 度 WinBench(http://www.winbench.com), 測PC速度 隨著電腦的硬體架構越來越複雜,電腦速度的問 題就越來越難以用單一指標來評定,常常必須視 電腦的用途來決定採用何種機器。 例如:Athlon和P4,Athlon整數運算比P4快,而浮 點運算比P4慢的狀況(大部分的辦公室工作用到的都是整 數運算)。
CPU相關技術(一) 匯流排寬度與處理器位元數(32、64位元) 指令Prefetch、內含Cache memory (隔壁書店的例子 ) 指令大多數是依序進行的 利用程式執行Locality (時間、空間)的特質來加 速 現在執行的指令與資料,等一下很可能會用到(時間) 目前執行的指令與資料附近的資料,等一下很可能會用到( 空間) RISC:精簡指令集電腦,透過將指令種類減少,以 增快每一個指令的執行速度。 CISC:複雜指令集電腦,透過大量的指令種類,以 減少解決問題所需的指令數量。
CPU相關技術(二) Cache memory CPU RAM Cache memory RAM 硬碟 Cache或Prefetch的觀念 學校 教室 世界 書店 Cache memory CPU RAM Cache memory RAM 硬碟 Cache或Prefetch的觀念
CPU相關技術(三) 平行處理: Pipeline: 類似工廠輸送帶 Super Scalar:一次可以執行兩個以上的指令 SMP:一台機器有兩個以上相同的CPU SIMD:同一個指令下達給一群硬體一同工作 Vector machine:一個指令直接處理一組資 料 VLIW(EPIC):一次直接對很多不同的執行單元 下命令 亂序執行、分支預測 A=B+1 C=A x 3 D=B x 4 E=B-6 Super scalar: 3 out of order: 2
CPU相關技術(四) origin pipeline SIMD Super Scalar Vector machine
CPU相關技術(五) VLIW(EPIC) SMP
CPU相關技術(六) Hyper Threading:同時執行多執行緒的程式 (想成一個CPU晶片裡面有兩個以上的CPU) Multi-Core:一個CPU晶片裡面真的有兩個以 上的CPU(每個Core裡面還可以是Hyper Threading)。 散熱問題:散熱片、散熱風扇、導熱管、水冷 Power問題:自動降速 SpeedStep技術、 Cool'n' Quiet技術
記憶體相關技術(一) RAM:隨機存取記憶體、可讀、可寫、記憶內容 關機就消失 DRAM:常常要充電、以免裡面的資料會漏電 遺失面積比較小、速度比較慢,一般用來做主 記憶體用。 所謂的DDR2-RAM、DDR-RAM、 SDRAM、FPRAM與EDORAM 只是在輸出 架構上略有差異。 SRAM:不必充電,不過比DRAM佔用較大空 間面積比較大、速度比較快,一般用來做 cache用。
記憶體相關技術(二) ROM:唯讀記憶體,記憶內容關機不消失 MaskROM:工廠做好,內容就固定 PROM:工廠做好之後,可以寫入一次(燒 斷保險絲) EPROM:寫入後可用紫外光抹除,再寫入 新內容 EEPROM:寫入後可用高壓電抹除再寫入 Flash memory(記憶卡):結構跟 EEPROM差不多。
記憶體相關技術(三) Cache:把慢速、容量較大的記憶裝置中的資 料暫存在快速、容量較小的記憶裝置中(節省 成本),以提昇整體的速度。 Virtual memory、Swap:把硬碟當成主記 憶體的一部份來使原來無法執行的大程式可以 在較小的主記憶體中執行。
輔助儲存設備相關技術(一) 軟碟:5.25吋、3.5吋、ZIP,容量較低、較 慢、壽命短(磁頭直接接觸碟片) 硬碟:幾片塗著磁氧化物的鋁盤(未來會變成 玻璃盤),以讀寫頭來讀寫上面的資料。讀寫 頭是低空飛行在碟片上(可能發生墜毀)。 儲存資料的方法:sector、cylinder 溫徹斯特磁碟:透過密閉的方式來防止微塵 影響讀寫。 抽換式硬碟、硬碟抽換盒 RAID(磁碟陣列):組合多個硬碟以達成 加速資料存取或維護資料安全的功能 課本第四章
輔助儲存設備相關技術(二) Sector cylinder track
輔助儲存設備相關技術(三) 硬碟規格:容量、轉速、平均搜尋時間、控制協 定(IDE、SCSI、SATA)。 IDE 硬碟價廉、消耗CPU運算能量,適合個人 電腦使用。Serial ATA 介面是主流 SCSI硬碟價昂,但適合多人多工環境使用。 光碟:CDROM、CD-RW、DVD、DVD-RW 、DVD+RW 磁帶:DAT、DLT Flash memory:隨身碟、記憶卡 記憶卡總類繁多,差異多半在輸出入電路,內 部構造差不多
輸出、輸入設備相關技術 輸入:鍵盤、滑鼠、軌跡球、觸摸式螢幕、數 位筆、手寫輸入、語音輸入 輸出: 螢幕:LCD、CRT技術 印表機:點矩陣列表機、噴墨列表機、雷射 列表機、熱轉印列表機 語音、音效輸出(FM合成、Wave Table) 繪圖機 參考網頁: http://big5.tomshardware.com/ 課本第五章
硬體發展趨勢 摩爾定律:每18到24個月晶片單位面積的電晶體 容量增加一倍。 IC製品會快速發展、功能增加(CPU、RAM) 普遍說起來硬體發展速度較軟體快 如果不使用太過繁重的應用(如3D的電動玩具) ,現在一般的PC已經能滿足大多數人的需要。 一般辦公室用途,大約10G之硬碟容量即足夠。 過去硬碟密度大約一年增加一倍,目前較緩。 筆記型電腦、PDA手機漸成主流。