4-1.3 CPU指令運作週期 P60 資訊科技概論－－電腦硬體.

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1 4-1.3 CPU指令運作週期 P60 資訊科技概論－－電腦硬體

2 CPU功能及結構 CPU的功能 算術邏輯單元 ALU 控制單元 暫存器 主要功能是解釋電腦 指令，指揮工作的執 行
記憶體階層：存放資料的元件 (注意：此檔案為SWF檔，請老師先將SWF預設開啟程式設為瀏覽器)

3 暫存器 CPU 內部暫存資料的地方 儲存容量小，通常以bit計算，如 16,32 bits等， 存取 CPU 資料速度最快 通用的暫存器
程式計數器(PC) 記錄程式下一個待執行指令的位址 指令暫存器 (IR) 儲存 CPU 所要執行的指令 多媒體動畫：CPU結構拖曳題

4 處理單元的運作方式 CPU 要求主記憶體 送出所要執行的指 令 將指令送到控制單 元解碼 將指令(解碼後)及 資料送到算術邏輯 單元進行運算
將結果存回(暫存器) 主記憶體

5 CPU指令運作周期P60 當一個指令執行完 成後，CPU 會開始 下一個新的指令周 期
多媒體動畫：指令週期：指令週期動畫 (注意：此檔案為SWF檔，請老師先將SWF預設開啟程式設為瀏覽器) 多媒體動畫：內儲程式：馮紐曼模式執行運算

6 程式執行的基本觀念P61 機器指令格式 指令的格式包含運算碼 (Opcode) 與運算元 (Operand) 兩部分
運算碼代表指令所要執行的運算，例如 Load (載 入)、Store (儲存) 等 運算元包含運算所需要的資料

7 程式執行的基本觀念P61 假設機器指令是由四個 16 進位的數字所組成， 其中第一個數字 d1為運算碼，第 2, 3, 4 個數字 d2 , d3 , d4 為運算元。

8 機器指令格式與說明實例P62 例如若有一指令 132D16，根據下表 132D16 ：查詢 d1=1的指令為 Load (載入)
132D16 ：代表 R3 (暫存器 3) 132D16 ：代表 M2D (記憶體位置 2D)， 指令： 將記憶體位置 2D 的資料載入暫存器 3

9 指令執行的載入過程 將程式與資料由輸入 單元輸入記憶體中。
設程式存放於記憶體 00 ~04 的位置，資 料 A, B, C 的值分別 存放於記憶體位址 30, 31, 32 的位置。

10 電腦解題步驟與程式指令 要執行 C←A＋B，需要設計下表的解題步驟， 再將每一步驟轉換成機器指令。

11 時脈速度 (Clock Speed) 通常以 GHz 表示 時脈越大，每秒所能完成的運算週期數就越多， 速度越快

12 多核心 內含兩個或以上的獨立處理器 例如：雙核心就是一個CPU 內含兩個處理器，四 核心則內含四個處理器
各處理器是獨立的，但可共同合作執行一項任務 多核心的 CPU，可由各個處理器各自分擔多個程 式所需的運算工作，使軟體運作更流暢 四核心 CPU 每個處理器的使用率

13 快取記憶體 (Cache) CPU 的快取記憶體容量雖然不大，但存取速率 較主記憶體快
CPU 檢查 Cache 是否存有所需的資料。 如果有，CPU 直接存取此資料； 如果沒有，CPU 存取主記憶體的資料。 L1、L2快取和主記憶體的關係圖 (此為圖片，無互動教學)

14 快取記憶體 (Cache) 根據統計，大部分電腦常常花費大部份的時間 存取少部份資料
快取記憶體利用其存取速度快的特性，雖只儲 存少部份的資料，但卻可使存取速度至少加快 許多 較大的 Cache，可以有效加速運算效能

15 匯流排 (Bus) 把電腦的 CPU 和記憶體想像成兩個不同的城市， 匯流排就像兩城市間的高速公路，可以互相傳 遞各種資料
如果高速公路越寬，車流越順暢，貨物傳送就 越快 如果匯流排的 bit 數越多，時脈越快，CPU 的 效能就會越好 64 bits 通常比 32 bits 的 CPU 具有較佳的效能

16 CPU指令運作周期 CPU 內部的暫存器中，除了通用的暫存器外， 還有一個稱為程式計數器(Program Counter, PC) 的暫存器，可用來記錄程式下一個待執行 指令的位址。 指令暫存器 (Instruction Register, IR) 則儲存 CPU 所要執行的指令。 CPU 執行程式中的指令時，會重複使用擷取、 解碼、執行三個步驟的指令運作周期，一個指 令接一個指令從開始執行到結束。