第 2 章 算術邏輯與控制單元 (中央處理單元?).

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1 第 2 章 算術邏輯與控制單元 (中央處理單元?)

2 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

3 2-1 CPU 的功用

4 2-2 CPU 的內部結構-以 x86 CPU 為例

5 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

6 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。

7 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。

8 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。

9 暫存器

10 暫存器

11 暫存器

12 暫存器

13 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。

14 匯流排

15 何謂晶片組

16 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)。

17 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

18 CPU 如何執行指令

19 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。

20 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。

21 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。

22 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。

23 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。

24 CISC 與 RISC

25 CISC 與 RISC

26 Hyper-Threading

27 多核心

28 多核心

29 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。