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Computer Hardware
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內容 CPU Program Execution 測量CPU的速度 儲存體的基本認識
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Computer System 處理 (processing) 輸入 (input) 輸出 (output) 儲存 (store)
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CPU
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CPU 將資料轉換成資訊 控制中心 執行儲存在記憶體中程式指令的一組電路 分成兩個主要部分 控制單元 (CU) 算術邏輯單元 (ALU)
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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 負責與硬體其它部分的溝通
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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
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算術運算 + 加法 減法 乘法 除法 - * /
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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 NOT AND OR >= <= > < < > =
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暫存器 (Register) 速度快 缺點：非常貴 資料暫存器 指令暫存器 各有特殊的用途 是個暫時存放的地方 位於 CPU 中
儲存目前正在執行的指令 資料暫存器 儲存正等著被處理的資料 儲存處理過後的結果
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How to Work? ALU memory register register Control Unit register …
抓取指令 memory 存取資料
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執行程式 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
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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
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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
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? 系統時鐘 系統時鐘以固定的速率製造脈波 每個脈波就是一個機器循環週期 一個程式指令可能是由一串給 CPU 的小指令所組成
Not for VLIW
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電腦運算速度 完成指令執行所需要的時間 千分之一秒 (Millisecond) 百萬分之一秒 (Microsecond)
十億分之一秒 (Nanosecond) 目前新型的電腦 兆分之一秒 (Picosecond) 未來的電腦
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微處理器的速度 時鐘速度 每秒完成的指令個數 電腦處理複雜數學計算的能力 百萬赫茲 (Megahertz，MHz)
十億赫茲 (Gigahertz，GHz) 每秒完成的指令個數 每秒一百萬個指令 (MIPS) 電腦處理複雜數學計算的能力 每秒一百萬個浮點運算 (Megaflop)
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微處理器的速度 (cont’d) 通常用clock cycle表示 (時脈週期)
較準確的衡量可用CPI (cycle / per instruction) Ex: CPU 2GHz (clock rate) 頻率：2G cycles/sec 週期：0.5x10^-9 sec /cycle => 0.5 ns
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太高的時脈週期有什麼問題？ 太熱了… 有多熱？ CPU煎蛋 散熱和風散是很重要的 超頻也有極限…
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找一台體質優良的電腦 鍋子要準備好…
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當然要加點食用油，以免沾CPU 面紙也是必備的喔 把CPU上面的風扇拿掉…
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擺好你的鍋子，把電腦插上電，就可以開始煮了
很快，蛋就會熟了，記得要加調味料
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可以廢物利用，但不要虐待電腦…
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The Storage ALU memory register register Control Unit register …
抓取指令 memory 存取資料
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為什麼需要儲存體？ register cache main memory 處理器運算時 關機後，資料將會消失 暫時儲存資料的地方
即將被處理的資料 運算的結果 暫時存放程式(指令)的地方 關機後，資料將會消失 重要資料必須於關機前存放於磁碟中 Floppy Hardisk CD-R / DVD-R
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儲存體的種類 輔助儲存體 記憶體 快取 cache 暫存器 儲存以後要用到的資料 長期儲存 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 快取 cache 暫存器 儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料 存取速度最快
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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) 門牌號碼 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 程式設計師會使用符號位址 門牌號碼
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Memory cells arranged by address
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資料表示法 開 /關 (On/Off) 1 ON OFF 使用二進位系統來表示電路的狀態
ON OFF
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位元、位元組、字組 位元 (BIT) 位元組 (BYTE) 字組 (WORD) Binary DigIT 電路開或關 (On/off)
1 或 0 位元組 (BYTE) 8 個 bit 每一個位元組可儲存一個字元 字組 (WORD) 暫存器的大小 CPU在處理時當做一個單位的位元個數
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The organization of a byte-size memory cell
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Conclusion CPU包含 記憶體利用位址來存取資料和指令 要愛惜你的電腦 CU (Control Unit)
ALU (Arithmetic / Logic Unit) 記憶體利用位址來存取資料和指令 要愛惜你的電腦
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