3C科技與生活 Chapter II 軟硬之間—電腦的程式與硬體 /* A first program in C */ #include <stdio.h> int main() { printf( "Welcome to C!\n" ); return 0; } 3C科技與生活 Chapter II 軟硬之間—電腦的程式與硬體 1 范志鵬 Chih-Peng Fan

電腦基礎元件 真空管 電晶體 積體電路 超大型積體電路

三大電腦展 德國漢諾威電腦展（CeBIT；每年三月舉行） 台北國際電腦展（COMPUTEX TAIPEI；每年六月舉行） 美國拉斯維加斯秋季電腦展（COMDEX FALL；每年九月舉行）

各類型電腦 桌上型電腦 (Desktop) 筆記型電腦 (Laptop; Notebook) 平板電腦 (Tablet PC)

3C整合 Computer（電腦） Communication（通訊） Consumer electronics（消費性電子產品）

中央處理器

Intel Pentium 4

邏輯運算

微處理器發展簡史(I)

微處理器發展簡史(II) 64位元雙核心、四核心、多核心 Intel® Core™ 2 Duo, Quad 處理器 http://www.intel.com/

主記憶體

位址和值

主記憶體類別 RAM（Random Access Memory；隨機存取記憶體） ROM（Read-Only Memory；唯讀記憶體） SRAM（Static RAM；靜態隨機存取記憶體） DRAM（Dynamic RAM；動態隨機存取記憶體） ROM（Read-Only Memory；唯讀記憶體） PROM（Programmable ROM；可程式的唯讀記憶體） EPROM（Erasable Programmable ROM；可擦拭及程式的唯讀記憶體） EEPROM（Electronically Erasable Programmable ROM；可電子擦拭及程式的唯讀記憶體）

執行程式

生產線技術(pipelining)

匯流排及介面 系統匯流排 負責CPU與記憶體間的資料傳送 擴充匯流排 保留一些連接給使用者彈性使用

ISA、PCI、AGP及PCI Express 在80年代，最當紅的高速匯流排是ISA（Industry Standard Architecture），它的傳輸速率每秒只有8.33MB 90年代，PCI（Peripheral Component Interconnect）的每秒133MB 繪圖卡等須高速運作的多採用AGP，它每秒可傳輸2.1GB 現在走紅的是PCI Express，它也稱為3GIO。PCI Express的傳輸速率為每秒2.5GB，還有潛力再增加好幾倍。(PCI-E 16X 8GB)

USB USB（Universal Serial Bus；通用序列匯流排） 是USB Implementers Forum 所開發的連線規格 針對電腦的外接週邊設備（鍵盤、滑鼠、遊戲控制器、攝影機、儲存裝置、掃描器和其他周邊）所設計，讓使用者安裝特定裝置時，能夠省去開啟電腦機箱及重開機的麻煩，隨插即用 為一般使用者提供了操作簡便、擴充性和快速等優點 USB 2.0傳輸速度最高每秒可達480Mb USB能在同一埠上支援多台設備，技術上而言，安裝USB Hub（集線器）這類的輔助裝置後，一個USB埠能夠支援最多127台設備同時連線。

輸出入周邊設備

鍵盤 輔助我們將訊息輸入電腦的重要輸入設備，它的字符位置和打字機類似，它與主機板連接的界面規格主要為PS2及USB

滑鼠 輔助我們將訊息輸入電腦的重要輸入設備，它與主機板連接的界面規格主要為PS2、USB、無線連接 種類非常的多：二鍵、三鍵、二鍵加小滾輪（可方便瀏覽超過顯示範圍的頁面）、軌跡球式的滑鼠 、光學滑鼠

掃描器 掃描的文件以數位影像格式儲存 儲存的檔案格式有TIFF、BMP、GIF與PCX等格式 掃描器的解析度以掃描時每英吋的取樣點數（dpi；dot per inch）表示

螢幕 又稱顯示器（monitor），是電腦最主要的輸出設備 傳統的螢幕為陰極射線映像管顯示器（CRT；Cathode Ray Tube），既粗大又笨重，已快速地被既輕且薄的液晶螢幕（LCD；Liquid Crystal Display）所取代

印表機 重要的輸出週邊設備，它的解析度以印出時每英吋的列印點數（dpi；dot per inch）表示

儲存裝置 硬碟 磁帶 軟式磁碟片 Zip MO 光碟片 記憶卡 隨身碟 可攜式硬碟

硬碟 硬碟（Hard Disk）是電腦儲存資料最重要的地方，它的內部有圓形碟片及讀寫頭 程式及資料平時通常放在硬碟，執行時才從硬碟載入主記憶體，因此它是極為重要的儲存設備，平時最好就做備份

磁帶、軟式磁碟片、Zip及MO 磁帶通常用來做備份，主要是因為磁帶通常比硬碟的容量要大許多。現在的磁帶備份的資料動輒以TB（Tera Byte；兆位元組）計 備份的另一種選擇是使用RAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks）磁碟陣列 軟式磁碟片曾是九十年代最主要的可攜式儲存媒介 Zip（IOMEGA於1995年推出）及MO（Magnet Optical Disk；SONY於1988年推出）是九十年代頗受歡迎的大量資料之可攜式儲存媒介

光碟片 新力（Sony）和飛利浦（Philips）在八十年代初期推出了CD-ROM CD光碟片的儲存容量 為650MB DVD（Digital Versatile Disk）單面單層可儲存4.7GB，最高可儲存雙面雙層，達17GB之多 CD系列（CD-ROM、CR-R、CR-RW或VCD）的存取速度時，單倍速為每秒150KB DVD系列（DVD-ROM、DVD-R、DVD-RW或DVD-Video）的存取速度時，單倍速為每秒約1350KB

記憶卡 數位相機、PDA、…等都利用這種輕薄的記憶裝置儲存資料，它的種類繁多 CF（Compact Flash） SM（Smart Media） SD（Secure Digital） MMC（Multi Media Card） MS（Memory Stick） xD micro SD

微型硬碟(MD) 縮小版的硬碟 一般家用電腦使用的是3.5吋硬碟，筆記型通常用比較小的2.5吋硬碟，而MD小到連1吋都不到 容量通常較記憶卡高一個等級

多合一的讀卡機 可同時讀取多種不同的記憶卡及MD

隨身碟 隨身碟（Flash Disk）又稱大拇哥，意即和大拇指大小差不多 透過USB埠可以連到電腦上，進行存取動作，相當方便 容量已可達GB 造型花樣百出

可攜式硬碟 USB 外接硬碟，它是一種體積小且重量輕的攜帶式儲存裝置 雖然較隨身碟大一些，但容量可達上百GB，是須攜帶大量資料人士的最愛

資料的二進位表示法 資訊在電腦外部及內部表示法上的不同

資料的二進位表示法 二進位與十進位轉換表

資料的二進位表示法 1035 0000010000001011 -1035 直接符號 1000010000001011 1’s補數 1111101111110100 2’s補數 1111101111110101 負整數表示法

資料的二進位表示法 浮點數表示法

資料的二進位表示法 字元(文字)對應到二進位數編碼 字串是由字元以某種編碼方式所組成的 ASCII code (美國國家資訊交換標準碼)set 8 bits per character; 256 character codes UNICODE code (萬國碼)set 16 bits per character; 65,536 character codes 字串是由字元以某種編碼方式所組成的

Keyboard: C ASCII Code: 67 Binary: 01000011 ASCII碼轉換表

資料的二進位表示法 萬國碼轉換表(部份) http://www.unicode.org/ http://www.unicode.org/standard/translations/t-chinese.html 萬國碼轉換表(部份)

資料的二進位表示法 00000000 00000011 00000111 00000111 00000101 00000000 10000011 10000110 10000110 Sampling the Original Signal Recreating the Signal from the Sampled Values Digitization of an Analog Signal

(a) 一個簡單的圖形，(b) 及此圖形的二進位數位化表示法 資料的二進位表示法 (a) 一個簡單的圖形，(b) 及此圖形的二進位數位化表示法

由下而上的硬體設計 電晶體、晶片及電路板間的關係

由下而上的硬體設計 NOT閘 Drain 汲極 AND閘 Gate 閘極 OR閘 Source 源極 電晶體作為開關的簡化模型 基本邏輯閘

NOT邏輯閘的硬體實現：(a) 、(b)開關動作，(c) CMOS反相閘 由下而上的硬體設計 NOT閘 NOT邏輯閘的硬體實現：(a) 、(b)開關動作，(c) CMOS反相閘

(a) 二輸入CMOS NAND閘，(b) 二輸入CMOS NOR閘 由下而上的硬體設計 (a) 二輸入CMOS NAND閘，(b) 二輸入CMOS NOR閘

由下而上的硬體設計 『積項之和』(SOP; sum-of-products)方法 步驟一、建立真值表 步驟二、使用AND和NOT建立積項 步驟三、將各積項以OR閘組合起來 步驟四、建構最終電路

由下而上的硬體設計 1位元比較器之真值表、電路 x y Output 1

The 1-ADD Circuit and Truth Table 由下而上的硬體設計 1位元加法器 The 1-ADD Circuit and Truth Table

由下而上的硬體設計 N位元加法器

電腦硬體架構 馮紐曼(Von Neumann)架構之主要子系統: 儲存程式概念 指令的循序執行 Memory (記憶體) Input/Output (輸入/輸出) Arithmetic/Logic unit (算術/邏輯單元) Control unit (控制單元) 儲存程式概念 指令的循序執行

電腦硬體架構 馮紐曼架構之主要子系統

電腦硬體架構 RAM (Random Access Memory隨機存取記憶體) Memory made of addressable “cells” Current standard cell size is 8 bits All memory cells accessed in equal time Memory address Unsigned binary number N long Address space is then 2N cells

電腦硬體架構 記憶體位址暫存器 記憶體資料暫存器 記憶體位址解碼器 隨機存取記憶體的電路架構

電腦硬體架構 Fetch operation (讀取資料) The address of the desired memory cell is moved into the MAR Fetch/store controller signals a “fetch,” accessing the memory cell The value at the MAR’s location flows into the MDR

電腦硬體架構 Store operation (儲存資料) The address of the cell where the value should go is placed in the MAR The new value is placed in the MDR Fetch/store controller signals a “store,” copying the MDR’s value into the desired cell

Figure 5.7 Overall RAM Organization

電腦硬體架構 輸入/輸出單元：內存資料與電腦外部的溝 通介面 Human interfaces: monitor, keyboard, mouse Archival storage: not dependent on constant power External devices vary tremendously from each other

電腦硬體架構 Volatile storage (揮發性儲存) Nonvolatile storage (非揮發性儲存) Information disappears when the power is turned off Example: RAM Nonvolatile storage (非揮發性儲存) Information does not disappear when the power is turned off Example: mass storage devices such as disks and tapes

電腦硬體架構 算術/邏輯單元 1.算術運算 2.比較(大小、相等) 3.布林邏輯運算

電腦硬體架構 控制單元 Task 自記憶體讀取下一個指令 解碼以決定要執行什麼 執行：送訊號、資料到ALU、I/O等

機器語言 Can be decoded and executed by control unit Parts of instructions Operation code (op code) Unique unsigned-integer code assigned to each machine language operation Address field(s) Memory addresses of the values on which operation will work

Typical Machine Language Instruction Format 機器語言 Figure 5.14 Typical Machine Language Instruction Format 00001001 0000000001100011 0000000001100100 op code address 1 address 2 → ADD X, Y

Machine Language: … 0000 001000001 0011 001000010 0001 001000000 0111 001000000 001000001 1001 000101100 1110 001000001 001000010 1000 000101101 1110 001000000 001000010

機器語言 Operations of machine language Data transfer Arithmetic/logic Move values to and from memory and registers Arithmetic/logic Perform ALU operations that produce numeric values

機器語言 Operations of machine language (continued) Compares Branches Set bits of compare register to hold result Branches Jump to a new memory address to continue processing

組合語言 機器語言與組合語言對應表 機器語言運算碼 組合語言指令 意義 0000 LOAD X CON(X) → R 0001 STORE X R → CON(X) 0010 CLEAR X 0 → CON(X) 0011 ADD X R + CON(X) → R 0100 SUB X R – CON(X) → R 0101 INCR X CON(X) + 1 → CON(X) 0110 JUMP X 下個指令由位址X取得 略 --- 1111 HALT 停止程式執行

組合語言 .BEGIN LOAD X STORE Y INCR Y X: .DATA 3 Y: .DATA 1 .END 指令段 資料段

高階語言

高階語言 FORTRAN VISUAL BASIC Do 6, LOOP = 1, 10 　　　 READ * , A , B 　　　 OUT = (A - B) / 4.0 　　　　PRINT * , A , B , OUT 6　　　 CONTINUE 　　END Dim j, out out = 0 For j = 1 To 5 　　out = out + 2 * j Next j

高階語言 C語言 #include <stdio.h> void main(void) { 　int x, sum, i; /*宣告x, sum, i為整數變數*/ 　for (sum = 0, i = 1; i <= 5; i = i + 1) { 　　　printf(“Enter x: ”); /*在螢幕上顯示字串*/ 　　　scanf(“%d”, &x); /*由鍵盤讀入數值到x*/ 　　　sum = sum + x;} 　printf(“sum = %d\n”, sum); /*列印sum*/ }

高階語言 JAVA public class ArrayExample{ 　/** Provide an example of declaring an Array 　 using different methodologies **/ 　public static void declareExample(){ 　　System.out.println(); 　 System.out.println(“+===============+”); 　　System.out.println(“| |”); 　　System.out.println(“| Array Declare |”); 　　System.out.println(“| |”);; 　 System.out.println(“+===============+”); 　　System.out.println(); 　　// Example 1 　　// First declare a reference, then construct it 　　int[ ] ExampleArray1; 　　ExampleArray1 = new int[24];

高階語言 高階程式語言的分類 種類 程式語言 命令式(Imperative) ADA 、BASIC、C、COBOL、FORTRAN、PASCAL 物件導向(Object-Oriented) ASP.NET、C++、JAVA 函數式(Functional) LISP 邏輯式(Logical) PROLOG

作業系統 (1)中央處理器的管理 (2)記憶體的管理 (3)檔案的管理 (4)週邊設備的管理 (5)程序的管理 　　

附註 本投影片部分內容取材自： G. M. Schneider and J. L. Gersting, Invitation to Computer Science, 3rd Edition: C++ Version, Thomson Course Technology, 2004. 趙坤茂, 張雅惠教授, 黃寶萱, 計算機概論, 全華科技圖書公司出版 (2008)。 Web site: http://www.csie.ntu.edu.tw/~kmchao/bcc09spr09spr 趙坤茂 (台大資訊工程系暨研究所)