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第一章 計算機的概念與技術

第一章 計算機的概念與技術. 學習目標. 瞭解組成電腦的五大基本單元 ( 中央處理器、輸出輸入、資料路徑、記憶體和控制單元 ) 瞭解電腦的基本工作分類 瞭解電腦的程式運作 ( 由高階程式語言到硬體的實際執行 ) 瞭解電腦的核心 — 微處理器 ( 中央處理器 ) 的發展進程 瞭解電腦的週邊設備和網路基本架構. 前 言.

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第一章 計算機的概念與技術

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  1. 第一章計算機的概念與技術

  2. 學習目標 • 瞭解組成電腦的五大基本單元(中央處理器、輸出輸入、資料路徑、記憶體和控制單元) • 瞭解電腦的基本工作分類 • 瞭解電腦的程式運作(由高階程式語言到硬體的實際執行) • 瞭解電腦的核心—微處理器(中央處理器)的發展進程 • 瞭解電腦的週邊設備和網路基本架構

  3. 前 言 • 第一代電腦：話說在1940年代二次世界大戰的時候，美軍為了計算砲彈發射後的彈道，特別商請在賓州大學(University of Pennelsivia)任教的Mauchly博士和研究生Eckert設計彈道計算機(也就是第一代的電腦)，當時使用了18,800顆真空管的電子元件，當時完成的計算機每秒鐘只能做300多個乘法的計算，這部計算機的體積很龐大，大概有15公尺長、9公尺寬，總重量近30公噸，除了體積龐大，因為真空管容易燒壞，所以使用上並不方便。

  4. 第二代電腦：1948年由美國貝爾實驗室(Bell Laboratory)三位科學家Ardeen、Brattain和Shockley共同發明了電晶體，並促進第二代電腦(TX-0)的發展，使得電腦的朝體積更小、重量更輕且計算能力更快，當時完成的電腦使用約800顆的電晶體，此時高階程式語言也跟著開發完成。 • 第三代電腦：在1959年，美國德州儀器和Fairchild半導體公司成功開發出積體電路(IC，Intergrated Circuit)，其後在1964年IBM公司便使用積體電路開發出第三代電腦(SYSTEM-360型)

  5. 第四代電腦：也就是眾所周知的在個人電腦（PC，Personal Computer），它是在1975年超大型積體電路（VLSI，Very Large Sacle Intergrated Circuit）問市以後開發完成的，當時小小的一片積體電路晶片裡頭就有數萬個電子元件，除了體積大幅縮小外，它的計算(或運算)速度增快了數千倍，時至今日，在IC製程奈米化的科技發展下，未來的個人電腦應該是每個人都可以一手掌握(體積比手掌還小)的。

  6. 電腦基本組成 • 中央處理器(CPU，Central Process Unit)：為電腦的核心，就像人類的大腦，為控制電腦運作最重要的部分 • 輸入單元/輸出單元 • 記憶體 • 資料路徑 • 控制單元

  7. Internet /Intranet 有線/無線網路 網路 攝影機 印表機 掃瞄器 數位相機 音樂鍵盤 隨身碟 音響 繪圖卡 MP3 耳機 麥克風

  8. 處理器 典型的處理器與輸出入裝置示意圖 快取 記憶體資料輸出入匯流排 主記憶體 輸出入控制器 輸出入控制器 輸出入控制器 次記憶體 磁碟 圖形 顯示器

  9. 記憶體(memory) • 一般區分為揮發性和非揮發性記憶體，其中揮發性記憶體只在電腦處於開機狀態下才存在，非揮發性記憶體在開、關機狀態下都存在，如光碟或磁碟 • 主記憶體（Primary Memory）：揮發性記憶體，主要功能為儲存執行中的程式，多由動態隨機存取記憶體組成。 • 次記憶體（Secondary Memory）：非揮發性記憶體，儲存非執行中的程式。

  10. 唯讀記憶體（ROM，Read only Memory）：僅能提供資料讀取，不能做為資料寫入，主要儲存不會更動的電腦基本設定資料。 • 快取記憶體（Cache Memory）：儲存較常讀取的應用程式、指令或資料的記憶體。 • 動態隨機存取記憶體（DRAM，Dynamic random access memory）：須重複使用外部更新電路進行讀取與寫入程序，以防止電荷消失，避免資料因而遺失 • 靜態隨機存取記憶體（SRAM，Static random access memory）：較接近微處理器階層的記憶體多由靜態隨機存取記憶體組成，SRAM是由多顆電晶體組成

  11. 寫入控制 寫入控制 1 位元 電路 1 位元 電路 輸入 輸入 輸出 輸出 更新 電路 靜態隨機存取記憶體的基本電路 動態隨機存取記憶體的基本電路

  12. 暫存器 • 程式計數器(PC，program counter)：儲存CPU所要執行的程式的記憶體位址，雖然PC是以每次累加1計算，然位址的計算一般是以4為1單位並採16進位；如目前讀取0040位址的指令，若沒有其他跳躍或特殊設計，接下來應按次序讀取0044、0048、004C、0050 • 指令暫存器(IR，instruction register)：儲存CPU所要執行的指令。 • 堆疊指標器(SP，stack pointer)：儲存CPU目前使用的堆疊位址。

  13. 記憶體位址暫存器(MAR，memory address register)：儲存CPU所要存取(或使用來存取資料)的記憶體的位址。 • 記憶體資料暫存器(MDR，memory data register)：儲存CPU所要存取的資料所對應的記憶體位址 • 分頁位址暫存器(PAR，page address register，呼叫位址暫存器)：儲存CPU所要存取記憶體資料的位址。 • 累加器(AC，Accumulator)

  14. D0 D1 D2 DN-1 致能 正 反 器 正 反 器 正 反 器 正 反 器 時序 Q0 Q1 Q2 QN-1 一般暫存器多由正反器(flip-flop)邏輯電路所組成，下圖為一個典型的N位元的暫存器的範例(使用正反器組成暫存器)

  15. 狀 態 線 控制 處理器 控制點 資料路徑 資料匯流排 資料路徑 執行某項程式，必須先讀取程式中的指令，並根據指令的執行順序，依序的讀取、計算或儲存相關資料，這些處理所經過的程序即是資料路徑

  16. 匯流排 • 位址匯流排(Address Bus)：傳送處理器要存取的資料的位址；位址匯流排的大小(多少條平行傳送的排線或位址線)是決定中央處理單元工作量的關鍵因素，例如一個位址匯流排連接L個位址線，它所提供的對應位址為0~2L-1(也就是說可以標定的位址數量有2L，換句話說，記憶容量等於2L)

  17. 資料匯流排(Data Bus)：傳送處理器要存取的資料；資料匯流排有多少條平行線，該數量就是中央處理單元在一個時脈週期時間可以存取資料的數量，其基本單位通常以字組WORD來表示，現行俗稱64位元的電腦，就是中央處理單元所連接(可以處理)的資料匯流排有64條平行的資料線(也就是說X位元電腦有X條資料匯流排線) • 控制匯流排(Control Bus)：傳送處理器要執行的控制指令或狀態訊號等所使用的匯流排線

  18. 指令碼 rd rt rs 忙線 指令暫存器 rd rt rs 對應 A B 位址線 一般用暫存器 資料線 位址線 記憶體 資料線 寫入 記憶體 立即跳出 控制 ALU 寫入 致能 32位元匯流排線 微處理器典型的資料路徑

  19. 控制單元 程式碼 輸入下一個狀態或程式計數器位址 程式計數器 位 址 … 解碼器 連接算術邏輯單元、多工器和暫存器的控制線 控制單元 • 電腦中執行程式擷取(IF，instruction fetch)、解碼(decode)和協調各單元依指令執行自動化處理的單元即是控制單元

  20. 微處理器控制單元架構圖 微處理控制器 (唯讀記憶體) 程式碼 忙線狀態 資料路徑 寫入記憶體 寫入致能 資料線 位 址線 記憶體 (動態記憶體) 儲存程式指令 微處理器控制單元

  21. 程式碼 程式計數器 (狀態) 6線 記憶體 忙碌 s線 s線 位址接腳 程式(唯讀記憶體) 資料接腳 下一個狀態 控制信號線(17條)

  22. 程 式 碼 絕對值(預先給定起始值) 外部 程式計數+1 算術邏輯單元 程式計數 程式計數器 (狀態) +1 是否為零 跳躍 邏輯 位址接腳 程式(唯讀記憶體) 資料接腳 忙線 下一個狀態完成編碼; 降低唯讀記憶體寬度 控制信號線 (17條) 改進的MIPS微處理器控制單元(增加了很多條件狀態線)

  23. 唯讀光碟機 可燒錄 光碟機 電源埠 開關 預留光 碟機槽 預留軟 碟機槽 鍵盤埠 軟碟機 RS232 散熱孔 喇叭音響 音訊輸出入 網路線 連接埠 電腦鎖 USB埠 電腦內部構造

  24. 電源 供應器 光碟機 散熱 風扇 硬碟 風扇下方為CPU 軟碟機 主機板 擴充插槽

  25. 匯流排線 RAM隨機存取記憶體

  26. 電腦工作分類 • 個人電腦：含桌上型（desktop）電腦和膝上型（laptop）電腦（俗稱筆記型電腦NB）。 • 工作站：功能介於個人電腦與大型電腦（或超級電腦）之間的計算機處理系統，常用的有SUN(例如SUN Ultra45工作站，可使用2顆Ultra SPARC IIIi處理器、配備16 GB記憶體和2種圖形加速卡)或HP工作站，多使用Unix或Linux作業系統，可支援特殊功能需求，如繪圖等等；然隨著個人電腦性能與功能的日益提昇，工作站逐漸被個人電腦所取代，它的未來應用和發展空間確實堪慮。 • 伺服器：為一群或一系列電腦之中心管理系統，伺服器可以是一台主控的個人電腦、工作站或超級電腦。

  27. 向量（超級）電腦：如Cray XT4超級電腦（1兆次浮點運算/cabinet）或美國與日本自行研發之超級電腦，主要提供需執行大量計算之研究機構運用，如美國國家安全總署（National Security Association）執行數以億萬計之訊號擷收、解譯與密碼破研或相關單位進行氣象（地震或海嘯）資訊或太空天文資訊之擷取與分析，必須使用計算速率極高、效能強大的超級電腦進行計算與分析作業。 • 嵌入式電腦：如控制飛機飛行和汽車行駛之中控電腦或協助導航之GPS系統，其他類如掌上型PDA或電玩。

  28. 程式運作 • 電腦的硬體核心是中央處理單位(CPU)，軟體核心是作業系統(OS) 。 • 不管是高階語言程式或低階語言程式都必須經過編譯器轉譯成電腦硬體可以執行的機器語言，再交給硬體實際去操作。 • 作業系統好比程式和硬體間的介面，主要提供輸出/輸入、記憶體儲存分配和多重應用程式來共同分享系統所提供的服務和管理的功能。

  29. 程式語言

  30. 作業系統 • 批次作業系統(Batch System) • 多元程式作業系統(Multiprogramming System) • 分時作業系統(Time Sharing System) • 平行處理作業系統(Parallel System) • 分散式處理作業系統(Distributed System) • 即時處理作業系統(Real Time System)

  31. 微處理器 • 第一代中央處理器—4位元： • Intel 4004： (1)全球第1顆(也是第一代) 商用中央處理器首推英特爾(Intel)公司編號4004的CPU，1971年11月15日推出，工作時脈為740 kHz。 (2)這顆CPU是第1顆被使用在計算機系統的4位元處理器，使用2,300顆10微米製程的電晶體，可以支援8位元的指令集和12位元的位址(address)運用，所提供的定址記憶體640B。 (3)當時技術仍處於萌芽階段，因為效能不夠理想導致市場使用率不高。

  32. 2. Intel 4040： (1)Intel 4040是1974年後所推出的加強版，使用3,000顆10微米製程的電晶體，工作時脈500kHz~740 kHz。 (2)Intel 4040和Intel 4004的處理速度相同，但是Intel 4040提供了部分的改進： (3)提供雙倍的記憶體定址、中斷服務功能和14個新的指令。 (4)增加堆疊(stack)記憶空間。

  33. 第二代中央處理器—8位元 • Intel 8008： (1)1972年推出，為全球第1顆8位元中央處理單元。 (2)使用3,500顆10微米製程的電晶體，工作時脈為500 kHz (8008-1: 800 kHz)，比Intel 4004還慢。 (3)支援16KB(位元組，byte)的記憶體。 (4)因為是8位元設計，所以整體效能略優於編號4004的處理器。

  34. 2.Intel 8080： (1)1974年推出，為編號8008 CPU的加強版，使用6,000顆6微米製程的電晶體。 (2)工作時脈為2MHz(效能為8008的10倍)。 (3)具備直接記憶體定址，支援超過七層堆疊(stack)和64KB記憶體。 3.Intel 8085： (1)1976年推出，使用6,500顆3微米製程的電晶體。 (2)工作時脈為5MHz。

  35. 第三代中央處理器—16位元 • Intel 8086: (1)1978年推出，為個人電腦初期起飛階段的重要產品，使用29,000顆3微米製程的電晶體。 (2)工作時脈有5MHz、8MHz和10MHz三種。 (3)定址記憶體1MB。 2. Intel 8088： (1)1979年推出，使用29,000顆3微米製程電晶體。 (2)工作時脈為5MHz和8MHz。 (3)定址記憶體1MB。

  36. 3. Intel 8087：主要提供浮點運算(具有加速計算的效益)。 4. Intel 80186/80188： (1)1982年推出，使用134,000顆1.5微米製程的電晶體。 (2)多用於嵌入式系統，甚少做為個人電腦的中央處理單元。除處理器外，尚包括有計時器、DMA控制器和中斷控制器。 (3)記憶體定址功能和8086/8088一樣，只有1MB記憶體。 (4)針腳數量雖然和80286相同，但仍屬8位元電腦。 (5)其他尚有AMD公司編號80186和日本NEC公司編號8085/8088(40支針腳)的中央處理單元等等。

  37. 5. Intel 80286: (1)1982年推出，使用134,000顆1.5微米製程的電晶體。 (2)工作時脈有6MHz、8MHz和12.5MHz三種。 (3)可支援多工作業系統。 (4)定址記憶體16MB。 (5)算是個人電腦中最先使用的16位元處理器，其效能約為8086電腦的3~6倍。

  38. Intel 8088 Intel 80286 Intel 80188

  39. 第四代中央處理器—32位元：第四代32位元的微處理器所跨越的型號比較多，從386、486到Pentium序列，一直到Itanium（俗稱安騰，為64位元處理器），其中Pentium D雙核心系統(同時包容32位元) • Intel公司386序列的處理器有80386DX、80386SX、80376、80386SL和80386EX等。 • Intel公司486序列的處理器有80486DX、80486SX、80486SL、80486DX2和80486DX4等，此一序列的處理器即俗稱的486或i486 。

  40. 3. Intel公司推出的Pentium序列的微處理器橫跨十餘年，所以有好幾款具代表性的不同產品： (1)Pentium(即Pentium I或P5) ：1993年推出，亦即俗稱的586 CPU (2)Pentium Pro：1995年推出，使用2,200萬顆0.6微米製程的電晶體，Socket 8(387支針腳，SPGA封裝)插槽介面。 (3)Pentium MMX：1997年推出，P55C工作時脈為166MHz~300MHz，工作電壓再進一步調降到2.8伏特(V)；使用450萬顆0.35微米製程的電晶體，採用Socket 7(296/321支針腳PGA封裝)插槽介面。

  41. (4) Pentium II：1997年推出，主供桌上型電腦做為中央處理器使用。工作時脈提高至75MHz~333MHz；使用750萬顆0.35微米(後來提昇到0.25微米)製程的電晶體。 (5) Pentium III：1999年推出，為Pentium II加強版，增加70個SIMD和SSE新指令以提供做為桌上型電腦的微處理器。工作時脈450MHz~600MHz；使用950萬顆0.25微米製程IC，Socket 370插槽介面PPGA封裝。其後推出使用2810萬顆0.18微米製程電晶體的處理器工作時脈最高可達1000MHz。

  42. (6) Pentium IV(以IA-32為基礎的微處理器)：2000年推出，工作時脈為1.4GHz~2.4GHz，此款耗電量很大（72瓦~100餘瓦），因此Intel公司特別研發並增加了熱監控（Thermal Monitor）的技術來避免散熱不足造成處理器的傷害。 (7) Pentium M：2003年推出，使用7,700顆0.13微米製程電晶體，工作時脈由900MHz~1.7GHz。具SIMD SSE2指令和更佳的管線化處理設計。2004年再推出新款處理器，使用90奈米製程電晶體，工作時脈高達2.2GHz，其中多款使用超低工作電壓。

  43. Pentium II Pentium III Pentium IV Pentium 1300 Pentium M

  44. Pentium 4的架構圖

  45. 第五代中央處理器—64位元： • Intel Itanium（俗稱安騰）系列：以IA-64架構為基礎的64位元微處理器。Itanium 2為2002年推出，亦採IA-64架構，為植基於非常長指令字元(VLIW，very long instruction word)和平行指令計算(EPIC，Explicitly Parallel Instruction Computing)的微處理器。因具備平行處理架構(Parallel Computing Microarchitecture)，所以效能可達CISC或RISC處理器系統(同工作頻率下)的八倍。其McKinley系統屬0.18微米製程，Madison系統則為0.13微米製程，主要工作頻率為1GHz~1.6GHz。

  46. 2. Pentium系列：Intel公司推出的雙核心處理器有Pentium eXtreme Edition (簡稱 XE)和Pentium D。二款處理器的規格大致相同且均支援64位元和EIST，其中Pentium XE另可支援HT技術，因此，在Windows環境下作業有如同4顆CPU的效果，效能略優於Pentium D。 3. Pentium D Smithfield：90奈米製程，工作時脈2.66 GHz~3.4GHz。 4. Pentium D Presler：2006年推出，65奈米製程，工作時脈2.8 GHz~3.73GHz。

  47. Intel公司推出Yonah雙核心處理器

  48. 5. Intel Core 2 Duo：2006年7月推出，以Conroe為核心的雙核心處理器系統。65奈米製程，工作時脈為1.8GHz~2.67GHz。增加SSSE3指令和虛擬化技術(Virtualization Technology)，可支援多項作業系統。 6.Intel Core 2 Extreme：2006年7月推出雙核心型號為X6800系統，工作時脈2.9GHz。2006年11月推出四核心型號為QX6700系統，工作時脈2.66GHz。 7.Intel Core 2 Quad：2007年1月推出四核心型號為Q6600系統，工作時脈2.4GHz。

  49. 8. AMD公司：推出的產品主要有Athlon 64、Sempron和雙核心 Athlon 64 X2。Athlon 64主要是設計來加快讀取記憶體的速度，這款處理器已有效整合記憶體的控制單元(整合在處理器裡面)，屬於90/130奈米製程產品，工作時脈為1.8GHz~2.4GHz，另一款Athlon 64 FX（含-53、-55和-57）工作時脈為2.4GHz~2.8GHz。

  50. 雙核心或多核心處理器 • 更優異的多重任務（Multi-Tasking）執行方法來增進辦公室的產能，讓生產力達到更平順和更具有效能並且能夠密切銜接毫無縫隙的執行多重任務。 • 提昇數位媒體執行和展示能量：讓數位多媒體軟體系統能同時處理多個串流資料，同時可以展現更令人驚喜的高畫質視訊和使用更佳的相片剪(編)輯、數位內容編製及混入聲音等等的應用，尤其當使用現在普遍流行的多媒體軟體時，具備AMD Athlon™ 64 雙核心處理器的電腦將比僅使用單核心AMD Athlon™ 64 4000+電腦的效能和速率提昇至(最高可達)80%。

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