電腦內部是怎麼運作的 硬體簡介 劉俊毅.

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1 電腦內部是怎麼運作的 硬體簡介 劉俊毅

2 學習目的 講解中央處理器的各個組成元件，說明他們彼此間如何運作以及與記憶體的溝通 描述電腦如何執行程式指令 解釋電腦如何表示資料
描述電腦如何找到指令和資料 講解微電腦系統單元上的主機板的各個元件 明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法

3 內容 CPU 介紹 Memory 介紹 I/O 輸出/ 輸入單元介紹 雙核心處理器技術簡介--影片欣賞 考古題複習 電腦選購建議

4 電腦基本架構

5 電腦系統5 大部分 ALU unit CU unit Memory Input unit Output unit

6 CPU Central Processing Unit 主要功能:抓取指令和執行指令 分成兩個主要部分
執行儲存在記憶體(RAM)中的程式指令 分成兩個主要部分 控制單元 (CU) 算術邏輯單元 (ALU)

7 控制單元 CU (Control Unit) 硬體的一部分，負責控制 指示電腦系統執行程式指令 控制資料流向,例如資料或指令進出CPU
控制ALU的動作 指示電腦系統執行程式指令 負責CPU與硬體其它部分的溝通

8 算術邏輯單元 ALU (Arithmetic / Logic Unit)
負責執行算術運算動作 負責執行邏輯運算動作

9 算術運算 加法 減法 乘法 除法 + - / *

10 算術運算 算術運算的例子 B(0010) 例如:4+2=6 A(0100) ALU(+) Y(0110)
兩個運算子(0100和0010)分別放在暫存器(register)A和B中,而結果(0110)就放在暫存器Y中

11 邏輯運算 NOT AND OR >= <= > < < > = 評估條件值 進行比較 可以比較 數字
字母 特別字元 AND OR >= <= > < < > =

12 邏輯運算 邏輯運算例子 B(0010) A(0100) 例如:If A > B then Y=0
ALU(>) Y(0000) 兩個運算子(0100和0010)分別放在暫存器(register)A和B中,而結果(0000)就放在暫存器Y中

13 真值表 Truth table A B A and B Not A A or B T F

14 暫存器 指令暫存器 資料暫存器 各有特殊的用途 速度快 是個暫時存放的地方 位於 CPU 中 儲存目前正在執行的指令 儲存正等著被處理的資料
儲存處理過後的結果

15 執行指令流程 一個指令通常分成四步驟來執行 擷取 解碼 執行 儲存結果 (1)(2)稱為I-time cycle
(3)(4) 稱為E-time cycle

16 執行指令流程 CU 擷取指令放進記憶體中 CU 將此指令解碼 CU 通知硬體相關部分準備採取行動 將控制權轉移到硬體的相關部分 執行工作

17 機器循環週期 I-time CU 從記憶體中擷取 (fetch)指令，然後放進暫存器中
CU 將此指令解碼 (decode)，並決定所需要的資料在記憶體中的位置

18 機器循環週期 E-time 執行 CU 將資料從記憶體搬移到 ALU 內的暫存器中 由 ALU 負責控制與執行指令 控制權回到 CU

19 電腦系統5 大部分 ALU unit CU unit Memory 介紹 Input unit Output unit

20 儲存體容量的測量單位 KB – kilobyte GB – gigabyte MB – megabyte TB – terabytes
1024 (210)個位元組 有些磁片 快取記憶體 MB – megabyte 約百萬(220)個位元組 RAM GB – gigabyte 約十億(230)個位元組 硬碟 CD 和 DVD TB – terabytes 約一兆(240)個位元組 大型硬碟 Q:1 G bytes= ? M bytes

21 儲存體容量的測量單位 例如 512M RAM 表示 此RAM 可儲存512*220 bytes 大小資料 250G 硬碟
Remark: 0/1:1 bit :8 bits=1 byte

22 在記憶體中尋找資料 記憶體中的每個位置都會被標示一個獨一無二的位址 (address) 每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料
位址不會改變 內容可能會改變 每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料

23 記憶體(memory)介紹 目前電腦系統至少有這三層:cache,main memory,secondary memory 階層式記憶體
由不同的記憶裝置所組成的,非由單一記憶裝置所構成的 CPU Cache Main memory Secondary memory 目前電腦系統至少有這三層:cache,main memory,secondary memory 速度: Cache > main memory>secondary memory 容量大小: Cache < main memory<secondary memory

24 階層式記憶體 輔助儲存體(secondary memory) 記憶體(main memory) Cache memory
儲存以後要用到的資料 長期儲存 例如硬碟,光碟片 記憶體(main memory) 儲存最近要使用的資料 暫時儲存 存取速度比輔助儲存體快 例如 RAM/ROM Cache memory 它是一塊小但非常快速的記憶體 存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令 存取速度記憶體快 CPU Cache Main memory Secondary memory

25 快取 (Cache memory) 第 3 步 傳送到 CPU 和快取中 處理器 快取 第 2 步 到主記憶體中的該位址去讀取 第 1 步
處理器要求擷取資料或指令 下一次微處理器需要資料或指令時 先到記憶體快取中尋找 找不到再到記憶體中尋找

26 暫存器(Register) CPU CPU register Cache Cache Main memory Main memory
Secondary memory Secondary memory 暫存器是在CPU上,因此沒顯示

27 暫存器(register) 各有特殊的用途 速度快 是個暫時存放的地方 位於 CPU 中 指令暫存器 資料暫存器 儲存目前正在執行的指令
儲存正等著被處理的資料 儲存處理過後的結果

28 Main Memery的主要類型 隨機存取記憶體(RAM) (Random Access Memory) 唯讀記憶體(ROM)
Review:階層式記憶體 CPU Cache Main memory Secondary memory 隨機存取記憶體(RAM) (Random Access Memory) 唯讀記憶體(ROM) (Read Only Memory)

29 Main memory分類

30 RAM 有 DRAM 和SRAM 種類 需要電流才能保持資料 揮發性 (Volatile) 可以讀取及修改裡面的指令和資料
使用者通常是指這種記憶體 有 DRAM 和SRAM

31 RAM 的種類 SRAM 只要有電力，儲存內容就會依舊存在 速度比 DRAM 快 用在 Cache memory

32 RAM 的種類 DRAM 必須持續充電 因為它的體積與價格的優勢，大多數的 PC 記憶體都使用它 SDRAM Rambus DRAM
價格較貴 DDR, DDR II

33 現今主流的DDR、DDR2都是屬於DRAM範疇

34 擴充 RAM 購買封裝在電路板上的記憶體模組
SIMM (Single In-Line Memory Module)– 晶片是安裝在電路板的一邊 DIMM – 晶片是安裝在電路板的兩邊 你能安裝的RAM數量最多是多少，取決於主機板的設計(常見可到4G)

35 RAM 裡有什麼? 作業系統 目前正在執行中的程式 上述程式需要的資料 等著要輸出的中間結果

36 ROM Read Only Memory 非揮發性 (Non-volatile) 負責開機的指令 裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改
這些指令通常是在工廠裡燒錄進去的 又有 EPROM 和EEPROM….種類

37 EPROM /EEPROM EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)
利用高壓將資料寫入 抹除時將線路曝光於紫外線下 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ) 利用高壓將資料寫入 不需要用紫外線照射 用特定的電壓來擦拭晶片上的資訊, 以便寫入新的資料

38 Flash memory 快閃記憶體(Flash memory) 例如 MS,SD,大拇哥隨身碟 使用在 由 EEPROM進化來 行動電話
數位相機(SONY採用MS,其它大都採用SD) 數位錄音器 PDA

39 BIOS 簡介 Basic Input/Output System 功能 載入作業系統：從儲存裝置中載入作業系統到隨機存取記憶體。
初始化動作：針對記憶體、主機板晶片組、顯示卡及週邊裝置做初始化動作 開機自我測試：檢查中央處理器 (CPU) 及各控制器之狀態是否正常。

40 目前主機板BIOS幾乎清一色都是透過 Flash Memory儲存，因應設定即時變更的需求

41 Intel core 2 代表甚麼意思呢?

42 系統時鐘(clock) 系統時鐘以固定的速率製造脈波(clock) 一個程式指令可能是由一串小指令所組成
每一個 指令CPU至少須要花一個脈波(clock)才能完成 每一種類型的 CPU 都有一組指令集 – 也就是它能了解與處理的指令

43 Intel core 2 表示每秒可產生 18.3 億個clock

44 CPU效能的評估 何謂效能 兩個常用指標 反應時間(Response Time) MIPS MFLOPS
每秒可執行多少百萬個指令 MFLOPS 每秒可執行多少百萬個浮點運算指令

45 高效能計算機 目標 想辦法讓CPU的速度愈快越好,因此儘量提高 MIPS 讓CPU的速度愈快 管線(pipelining)

46 Review(p.14) 一個指令通常分成四步驟來執行 擷取 解碼 執行 儲存結果 擷取 解碼 執行 儲存 擷取 解碼 執行 儲存 擷取
指令1 擷取 解碼 執行 儲存 10ns 5ns 8ns 7ns 擷取 解碼 執行 儲存 指令2 擷取 解碼 執行 儲存 指令3

47 不採用管線(pipelining)技術 採用管線(pipelining)技術 擷取 解碼 執行 儲存 擷取 解碼 執行 儲存 擷取 解碼
指令1 擷取 解碼 執行 儲存 指令2 10ns 5ns 8ns 7ns 擷取 解碼 執行 儲存 指令3 擷取 解碼 執行 儲存 3*( )=90 ns 採用管線(pipelining)技術 10ns 10ns 10ns 10ns 10ns 10ns 指令1 擷取 解碼 執行 儲存 指令2 擷取 解碼 執行 儲存 擷取 解碼 執行 儲存 指令3 (N-1)*10ns+40ns =(3-1)*10ns+40=60ns 採用管線技術,執行3個指令所須時間快30ns 效能提高了33% (90-60/90=0.33)

48 雙核心處理器 看影片(大約30 分鐘)

49 微處理器的種類 Intel AMD Pentium Celeron Xeon Core 2 Duo Core 2 Quad
AMD Athlon™ AMD AMD Phenom™

50 電腦系統5 大部分 ALU unit CU unit Memory Input unit Output unit

51 系統匯流排(Processor Bus) 一組傳送電子訊號的電路 系統匯流排 匯流排寬度 速度是用 megahertz (MHz) 來衡量
負責在 CPU 與記憶體之間傳送資料 匯流排寬度 電腦一次可以傳輸的資料位元數 通常會和 CPU 的字組 (word) 大小一致 速度是用 megahertz (MHz) 來衡量

52 CPU 可以支援較大的數字精確度以及更多種類的指令
系統匯流排 匯流排寬度越大 = 電腦的運算能力越強 CPU 一次可以傳輸更多的資料 電腦速度變快 CPU 能參考到更大的記憶體位址 有更多的記憶體 CPU 可以支援較大的數字精確度以及更多種類的指令

53 擴充I/O

54 PC 上常見I/O介面 用在慢速的裝置如滑鼠或鍵盤 適用於連接高速的裝置如硬碟和網路卡上 連接記憶體與圖形卡以提供更快速的視訊效能
PS/2 用在慢速的裝置如滑鼠或鍵盤 PCI/PCI-Express 適用於連接高速的裝置如硬碟和網路卡上 AGP 連接記憶體與圖形卡以提供更快速的視訊效能 USB 支援 “daisy-chaining” 功能，省去需要多張擴充卡的麻煩；可以“熱切換” (hot-swappable) IEEE 1394 (FireWire) 一種高速的匯流排，通常是用在連接視訊設備到你的電腦上 PC Card 信用卡般大小的 PC Card 裝置，通常是用在筆記型電腦上

55 選購電腦建議 原則 應用導向 注意電腦擴充性 採購方式 購買品牌電腦 自行組裝 指定零件,請人幫忙組裝

56 選購指南 主機版:選擇較有名氣的廠商 記憶體 硬碟機 光碟機 建議一般使用者至少有1G RAM(main memory)
SATA 2 介面,至少320G 光碟機 有IDE和SATA 2型式(SCSI 漸漸少) 小心不要買錯

57 選購指南 圖形顯示卡(要玩遊戲才須要) 顯示器 注意卡上記憶體大小 支援那些顯示解析度?最高解析度為何? 各種解稀度下所能顯示顏色數目
17吋,19吋,22吋,24吋 D-SUB,HDMI,DVI-D介面 同樣 22吋 會何價格差很多?

58 選購指南 印表機 其它週邊 電視棒(USB或PCI介面):可看數位或類比電視 隨身碟—可收發mail用 不斷電系統
PS2/PS3 ,WII ,Xbox …………….

59 建議配備 CPU:有 Intel 和AMD兩家大廠選擇 硬碟:SATA 2介面,250G 記憶體:1G 圖形顯示卡—看需求才買
Intel:Intel® Core™2 Duo 處理器 AMD:AMD Athlon™ 硬碟:SATA 2介面,250G 記憶體:1G 圖形顯示卡—看需求才買 USB 介面至少3個

60 建議配備 PCI*1/PCI-express*1 顯示器:17吋以上 光碟機:16X的DVD燒錄器