最新計算機概論 第3章 計算機組織

３-1　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。

3-2　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。

3-2-1　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： 硬體線路控制 (hardwired control) 微程式控制 (microprogrammed control)

3-2-2 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 算術邏輯類型 控制類型

3-2-3　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，其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器。 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)

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)

3-2-4 電腦的效能 反應時間 (response time) 是一個工作從開始做到結束所花費的時間 3-2-4　電腦的效能 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

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)。 電腦的效能取決於時脈速度、CPI和指令數目等因素 。 除了MHz、GHz之外，電腦的速度也可以使用MIPS、MFLOPS、TPS來描述

3-2-5 CPU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 插槽腳位 快取記憶體 匯流排寬度 字組大小

3-2-6 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。 3-2-6　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。

運算碼 運算元 說明 1 RXY LOAD指令，將主記憶體位址XY的資料載入暫存器R 2 STORE指令，將暫存器R的資料儲存到主記憶體位址XY 3 RST ADD指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料相加，再將結果儲存到暫存器R 4 OR指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行OR運算，再將結果儲存到暫存器R 5 AND指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行AND運算，再將結果儲存到暫存器R 6 XOR指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行XOR運算，再將結果儲存到暫存器R 7 JUMP指令，若暫存器R的資料與暫存器R0的資料相同，就跳到主記憶體位址XY去執行，否則依序執行 8 000 HALT指令，使程式暫時停止執行，例如機器指令8000是將程式暫停

下面是一個例子： 11BA 12BB 3312 23B0 10B0 73FF

3-2-7 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 3-2-7　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

3-3 CPU的設計架構與技術 3-3-1 CISC V.S. RISC

3-3-2　管線

3-3-3　超純量處理器

3-3-4　平行處理

3-4 記憶體 3-4-1 記憶體的種類 記憶體有RAM (隨機存取記憶體) 與ROM (唯讀記憶體) 兩種。 RAM又分成下列兩種： 3-4　記憶體 3-4-1　記憶體的種類 記憶體有RAM (隨機存取記憶體) 與ROM (唯讀記憶體) 兩種。 RAM又分成下列兩種： DRAM (dynamic RAM，動態隨機存取記憶體) SRAM (static RAM，靜態隨機存取記憶體) ROM又分成下列三種： PROM (programmable ROM) EPROM (erasable PROM) EEPROM (electronically EPROM)

3-4-2　記憶體的階層 暫存器 (register) 快取記憶體 (cache memory) 主記憶體 (main memory)

3-4-3　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 (address)，同時這些位址是從0開始，依照順序編號。

3-5 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) 3-5　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) 位址線 (address line) 控制線 (control line) 匯流排又分為下列兩種： 系統匯流排 擴充匯流排

PC常見的擴充匯流排： ISA MCA EISA VL PCI AGP

PCI Express 硬碟控制介面、軟碟控制介面、光碟控制介面 PS/2埠 序列埠 平行埠 USB

IEEE 1394 紅外線傳輸埠 (IrDA) 其它擴充插槽

3-6　輸入/輸出的定址方式 3-6-1　隔離I/O 在隔離I/O (isolated I/O) 中，每個週邊均有唯一的位址。

3-6-2　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。

3-7　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。

3-7-1　程式控制I/O

3-7-2　中斷式I/O

3-7-3　直接記憶體存取 (DMA)

3-8 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) 3-8　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)

3-9 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) 3-9　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)

3-10　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

3-10-1 　硬式磁碟機 硬碟的內部構造主要有碟片 (platter)、主軸馬達 (moter)、存取臂 (access arm) 及讀寫頭 (read/write head)。

磁軌 (track) 磁區 (sector) 磁簇 (cluster) 磁柱 (cylinder) 磁柱

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) 磁碟快取 資料傳輸速率 (將資料傳送給電腦的速率，以Mbps為單位) 硬碟控制介面 (ATA、Serial ATA、SCSI、USB、IEEE 1394…) 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)

磁碟陣列 鏡射 (mirroring) 等量分配 (striping)

3-10-2 　軟式磁碟機 軟碟包含軟碟片 (diskette) 和軟碟機 (floppy disk drive) 兩個部分

3-10-3 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。 3-10-3　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。 磁帶的優缺點。

3-10-5 光學儲存裝置 光碟分成光碟片與光碟機兩個部份，光碟片是在聚碳酸酯塑膠上覆蓋一層反射鋁質，藉由不同的反射面，將資料記錄在光碟片。 3-10-5　光學儲存裝置 光碟分成光碟片與光碟機兩個部份，光碟片是在聚碳酸酯塑膠上覆蓋一層反射鋁質，藉由不同的反射面，將資料記錄在光碟片。 常見的有唯讀光碟CD-ROM、影音光碟VCD、相片光碟、磁光碟MO 、CD-R/CD-RW、數位影音光碟DVD 等。

DVD的規格可以分成下列幾種： DVD-ROM MOVIE-DVD AUDIO-DVD DVD-R/DVD-RW DVD+R/DVD+RW DVD-RAM 藍光燒錄規格 Blu-ray HD DVD

3-10-5 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) 3-10-5 　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) 磁帶櫃 (tape library) 光碟櫃 (optical disk library)

3-10-6 固定狀態儲存裝置 PC Card (Type I、Type II、Type III三種類型) 3-10-6 　固定狀態儲存裝置 PC Card (Type I、Type II、Type III三種類型) 智慧卡 (一種是僅有記憶功能的記憶卡，另一種是有CPU運算與記憶功能的IC卡) 快閃記憶體 (SmartMedia、CompactFlash、Memory Stick、xD…)