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計算機概論 第3章 計算機組織與結構概觀
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電腦的基本結構
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計算機的組織與結構
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傳統處理器的架構
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處理器的類型 協同處理器(coprocessors) 微控制器(microcontrollers)
嵌入式系統處理器(embedded system processors) 通用的處理器(general-purpose processors)
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晶圓CPU切片(CPU die)圖
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處理器的工作原理 「提取→執行循環」(fetch-execute cycle) 電腦工作的速率由系統時脈(clock)來控制
電腦產生一個時脈的時間，被稱為時脈週期(clock cycle)，通常一個程式指令的執行需要數個時脈週期 時脈週期越短，則電腦執行指令的效率越高
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處理器的內部構造
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CPU的指令 指令碼(opcode) 運算元(operand) 結果
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指令集的種類 複雜指令集(CISC，Complex Instruction Set Computer)
精簡指令集(RISC，Reduced Instruction Set Computer)
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指令處理的各階段
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多階管道(multistage pipeline)的技術
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與CPU執行模式相關的特性 指令集中有效的指令子集合。 資料的大小。 可以使用的記憶體範圍。 可以使用的功能單元。 系統的權限。
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微控制器(microcontroller)的觀念
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記憶體裝置 記憶體(memory)是電腦中僅次於CPU的重要組件，基本上記憶體的主要功能是暫時或是永久儲存指令與資料
平常在電腦系統中安裝使用的記憶體通稱為實體記憶體(physical memory) 透過軟體的技術可以將硬碟空間的一部分當成實體記憶體來使用，這樣得到的記憶體空間稱為虛擬記憶體(virtual memory) 一般為了提昇效能運用快取技術的記憶體則特別稱為快取記憶體(cache)
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記憶體技術的特徵 揮發性 存取方式 讀寫特性 記憶體的階層(memory hierarchy)
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處理器與記憶體之間的連結
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快取(cache)的概念 記憶體的速度跟CPU比起來還是太慢，所以跟CPU搭配工作的還有所謂的快取記憶體(Cache Memory)
一般說來，L1快取記憶體 (primary cache)位於CPU晶片內，L2 快取記憶體(secondary cache)可以位於CPU晶片或是在獨立的印刷電路板上 L3 cache也是一種快取記憶體，可以位於CPU晶片或是內建於記憶體中 儲存空間大小是L1<L2<L3 在現代記憶體的架構中，快取記憶體的容量一直在增加，對於CPU效能的提昇有很大的
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作業系統中的I/O結構
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串列傳輸與並列傳輸
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主機板上各類內部匯流排介面的插槽(socket)
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各類外部匯流排介面的外觀
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I/O作業 同步（Synchronous）I/O：執行中的程序等待I/O作業完成，資料傳送完以後，程序才會繼續執行。
非同步（asynchronous）I/O：送出I/O請求的程序繼續執行，這種方式可以提昇作業系統的效率，因為CPU的使用率提高了。
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中斷處理I/O作業時執行程序的狀態變化
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計算機架構中最常見的兩種平行技術 平行(parallelism) 管道化(pipelining)
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平行處理的特性 微觀的平行(microscopic parallelism) 巨觀的平行(macroscopic parallelism)
細緻的平行(fine-grain parallelism) 粗略的平行(coarse-grain parallelism)
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福林的分類法(Flynn classification)
單指令單資料流(SISD，single instruction single data stream) 單指令多資料流(SIMD，single instruction multiple data streams) 多指令多資料流(MIMD，single instruction multiple data streams)
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JPL Cray SV1-1A Vector Processor
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計算機效能的評估 計算機架構的平行(parallelism)與管道化(pipelining)技術都是為了提昇運算的效能
效能(performance)本身必須有一個度量的方式才能夠比較 平行系統有一個很有趣的安道爾定律(Amdahl’s Law)，大致是說含有N個處理器的平行系統無法達到單一處理器N倍的效能 我們需要更精確的評估方式
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常見的效能度量方式 從電腦的運算能力來評估其效能 電腦擅長的是算術運算與邏輯運算，所以在固定的時間內完成的指令數目就可以當成一種效能的指標
FLOPS(floating point operations per second) MIPS(million instructions per second)
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計算機架構的實例 系統層次的架構(system-level architecture)
電路板層次的架構(board-level architecture) 晶片層次的架構(chip-level architecture)
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認識電路板
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