第 2 章 算術邏輯與控制單元 (中央處理單元?)
學習目標 看完本章, 您應該學會以下主題： 認識 CPU 在電腦中扮演的角色 CPU 運作的原理 CPU 的規格與技術名詞
2-1 CPU 的功用
2-2 CPU 的內部結構-以 x86 CPU 為例
CPU 的內部結構-以 x86 CPU 為例 控制單元 算術/邏輯單元 暫存器 匯流排 快取記憶體
控制單元 控制單元 (Control Unit) 負責控制資料流和指令流。當我們輸入指令(如鍵盤或滑鼠的操作) 時, 控制單元會讀取並解譯指令, 以便將需要運算的資料送到算術/邏輯單元進行運算, 並將運算完成的資料流或指令流, 送到輸出或輸入單元。 其實說穿了, 控制單元的主要任務就是在『控制』輸出與輸入而已。
算術/邏輯單元 算術/邏輯單元 (Arithmetic/Logic Unit), 從字面上來理解就是負責算術運算及邏輯運算。簡單地說, 算術運算就是加、減、乘、除等運算, 而邏輯運算則是 AND 、OR、NOT等運算, 這些都是數學上再熟悉不過的運算方法了。
暫存器 暫存器 (Register) 是 CPU 內部用來暫時存放資料的地方, 是相當重要的一個元件。暫存器其實就是記憶體, 位於記憶體階層的最上層(關於記憶體階層的詳細介紹, 請參考 3-1 節), 主要是為了配合 CPU 的高速運算而設置。
暫存器
暫存器
暫存器
暫存器
匯流排 電腦上各元件傳送資料的管道就是匯流排(Bus)。從字面上解讀, 取其『匯流』之意, 就大致可以明白這個傳送資料的管道, 是由許多不同的管道整合在一起的。而這樣做的好處在於管道(也就是主機板上的電子線路) 容易安排, 也能確保所有元件都能互相傳送資料。
匯流排
何謂晶片組
快取記憶體 CPU 利用暫存器來進行資料的存取和運算, 但暫存器和主記憶體的速度差異實在太大, 若從暫存器直接和主記憶體進行輸出或輸入, 可能造成 CPU 長時間的閒置, 只為了等待主記憶體將資料送進來。 為了提升系統的效能, 於是在暫存器和主記憶體之間, 配置了快取記憶體 (Cache Memory)。
2-3 CPU 的規格與技術名詞 CPU 如何執行指令 CPU 的工作時脈 傳輸頻寬 CPU 的指令集 CISC 與 RISC Hyper-Threading 多核心 64 位元和 32 位元 CPU 的區別
CPU 如何執行指令
CPU 的工作時脈 一般描述 CPU 的效能時, 都是以 CPU 運作的「時脈頻率」, 也稱為「工作時脈」來描述, 早期其單位為 MHz (每秒百萬次)；如 Celeron 950、Duron 800 就是指其時脈頻率分別為 950 MHz 與 800 MHz。 近來則發展到 GHz (每秒十億次) 的速度, 例如 Intel Core i3-540 具有 3.06 G 的工作時脈。
什麼是超頻？ 所謂的超頻, 就是讓原本時脈較低的CPU 以更高的時脈運作。超頻的方法不外乎是調高外頻或倍頻係數, 以提昇CPU 的時脈。不過CPU 廠商為了本身產品的區隔, 不希望CPU 被超頻使用, 而大多把倍頻係數鎖住了。因此, 現在要超頻, 通常只能從外頻來著手。
傳輸頻寬 傳輸頻寬 (Bandwidth) 是指單位時間內可傳送/接收的資料量 (Bytes/Sec)；在電腦上各元件之間會使用不同的傳輸頻寬, 這些頻寬都是可以計算出來的。
CPU 的指令集 從字面上來看, 指令集 (Instruction Set) 是一群指令的集合；而指令則是 CPU 提供的服務。系統只要說明：『請執行 xxxx 服務, 所需的相關資料有：yyy, zzz, www, ...』, CPU 就會依序執行。
CISC 與 RISC CISC (Complex Instruction Set Computer) 稱為複雜指令集, 是指 CPU 內使用功能較多、較強的指令。CISC 的電路設計較為複雜, 成本也較高, 但由於功能強大, 因此較容易處理複雜的指令, 也使得編譯器 (Compiler) 的撰寫也較為簡單。使用 CISC最具代表性的 CPU, 即是 Intel x86 系列的 CPU。
CISC 與 RISC
CISC 與 RISC
Hyper-Threading
多核心
多核心
64 位元和 32 位元 CPU 的區別 CPU 的位元數, 主要決定於 CPU 內部一次能處理的字組 (Word) 大小。而能處理多大的字組, 則是依暫存器的大小而定。暫存器越大, 一個指令週期所能處理的字組便越大。 以 Intel 早期的 8086 CPU 為例, 其一個指令週期可以處理一個 16 Bits 的字組(Word), 因此8086 被稱為 16 位元的 CPU。而所謂的 32 位元 CPU, 就是可以處理 32 Bits 的字組；同樣地, 64 位元的 CPU 就是可以處理 64 Bits 的字組。