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第 3 章 系統單元

第 3 章 系統單元. 章節大綱. 3-1 系統單元 3-2 中央處理器 (CPU) 3-3 CPU 的設計架構與技術 3-4 記憶體 3-5 電腦與週邊通訊 3-6 輸入 / 輸出的定址方式 3-7 輸入 / 輸出介面 . 3-1 系統單元. 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CPU) 與主記憶體兩個部分。. Von Neumann 架構. 回章節大綱. 3-1 系統單元. 不同形式的系統單元 。. 回章節大綱. 3-1 系統單元. 機殼內的元件：

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第 3 章 系統單元

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  1. 第3章 系統單元

  2. 章節大綱 • 3-1 系統單元 • 3-2 中央處理器 (CPU) • 3-3 CPU的設計架構與技術 • 3-4 記憶體 • 3-5 電腦與週邊通訊 • 3-6 輸入/輸出的定址方式 • 3-7 輸入/輸出介面

  3. 3-1 系統單元 • 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CPU) 與主記憶體兩個部分。 Von Neumann 架構 回章節大綱

  4. 3-1 系統單元 • 不同形式的系統單元。 回章節大綱

  5. 3-1 系統單元 機殼內的元件： • 主機板 (motherboard) • 電源供應器 (power supply) • 散熱風扇 (cooling fan) • 固定架 (drive bay) • 連接埠 (ports) COM, LPT, PS/2, USB, IEEE1394… 回章節大綱

  6. 3-2 中央處理器 (CPU) • CPU 負責算術運算、邏輯運算與程式執行，又稱為「微處理器」(microprocessor) 或「處理器」(processor)。 • CPU是由控制單元、算術邏輯單元及部分的記憶體單元 (暫存器) 所組成。 回章節大綱

  7. 3-2-1 控制單元(CU) • 控制單元 (control unit) 是負責控制資料流向與指令流向的電路。 • 控制單元的製作方式有下列兩種： • 硬體電路控制 (hardwired control) • 微程式控制 (microprogrammed control) 回章節大綱

  8. 3-2-1 控制單元(CU) • 硬體電路控制 V.S.微程式控制 回章節大綱

  9. 3-2-2 算術邏輯單元 (ALU) • 算術邏輯單元 (arithmetic/logic unit) 是負責算術運算與邏輯運算的電路。 • 電腦的機器指令有下列三種類型： • 資料傳送類型 : Load, Store • 算術邏輯類型: AND, OR, XOR, SHIFT, ROTATE • 控制類型: JUMP, BRANCH 回章節大綱

  10. 3-2-3 暫存器 • 暫存器 (register) 是位於CPU內部的記憶體，用來暫時存放目前正在進行運算的資料或目前正好運算完畢的資料。 • 暫存器通常分成兩大類，其一是程式設計人員能夠存取的可見暫存器，其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器。 回章節大綱

  11. 3-2-4 電腦的效能 • 反應時間(response time) 是一個工作從開始做到結束所花費的時間。 • 工作量(throughput) 是在固定時間內所完成的工作。 • CPU時間(CPU time) 是CPU執行一個程式所花費的時間，不包括等待輸入/輸出或執行其它程式時間。 • CPU時脈週期(CPU clock cycle) 是CPU執行一個程式所花費的時脈週期。 • CPU時間 = CPU時脈週期 * 時脈週期時間 回章節大綱

  12. 3-2-4 電腦的效能 Example : P3-11 • 時脈(clock) 是電腦內部一個類似時鐘的裝置，它每計數一次，稱為一個時脈週期 (clock cycle)，電腦就可以完成少量工作。 • 時脈速度 (clock rate) 指時脈計數的速度，單位為MHz (百萬赫茲) 或GHz (十億赫茲)，也就是每秒鐘幾百萬次或每秒鐘幾十億次，而時脈每計數一次所經過的時間稱為時脈週期時間 (clock cycle time)(表3.3時間單位)。 • 電腦的效能取決於時脈速度、CPI (clock cycle per instruction)和指令數目等因素。 • 除了MHz、GHz之外，電腦的速度也可以使用MIPS、MFLOPS、TPS來描述。 回章節大綱

  13. 3-2-4 電腦的效能 • 時間單位 回3-2-4 電腦的效能 回章節大綱

  14. 3-2-5 CPU相關規格 • 外頻 CPU外部工作頻率，CPU存取主記憶體的速度，單位為MHz。 • 倍頻 CPU核心所採用的頻率是外頻的倍數，倍頻。 • 內頻 CPU工作時所採用的頻率，倍頻乘上外頻。 回章節大綱

  15. 3-2-5 CPU相關規格 • 封裝：CPU其實是一個晶片 (chip)，需要將它包裝起來以玆保護，並提供腳座與外界溝通，這個包裝的過程就叫做封裝。 • 封裝方式l: • DIP: 雙軸電晶組 • PGA: 點針矩陣 • FC-PGA: 反面點針矩陣 • SECC: 單緣接觸卡匣 • LGA: 平針矩陣 回章節大綱

  16. 3-2-5 CPU相關規格 • 插槽腳位：插槽腳位決定了CPU如何安插在主機板CPU插槽，不同腳位有不同的插槽，針腳數目各異。 • 快取記憶體：快取記憶體(cache memory)是介於CPU與主記憶體之間的記憶體，存取速度較快，成本也較高，又分為二至三種層次，稱為L1快取、L2快取、L3快取。 回章節大綱

  17. 3-2-5 CPU相關規格 • 系統匯流排: 傳送CPU與主記憶體之間的資料。 • 擴充匯流排: 傳送CPU與週邊設備之間的資料。 • 匯流排寬度 • 匯流排 (bus) 是主機板上面的鍍銅電路。 • 匯流排決定了電腦一次可以同時傳送多少位元，電路愈多，匯流排寬度 (bus width) 愈大，傳送速度愈快。 • 常用規格: 16, 32, 64位元 回章節大綱

  18. 3-2-5 CPU相關規格 • 字組大小：字組大小 (word size) 是CPU在固定時間內能夠解譯並執行多少位元。 • 相容性：由於不同的CPU各有唯一的指令集，因此，廠商在推出新的CPU晶片前，須考慮相容性 (compatibility)，特別是新的晶片能否與舊的晶片具有向下相容性。 課後自習: P3-16 PC發展史 回章節大綱

  19. 3-2-6 機器循環週期 CPU執行一個指令的過程叫做機器循環週期 (machine cycle)，包含下列四個步驟： • 指令擷取 • 指令解碼 • 指令執行 • 結果存回 指令時間 執行時間 回章節大綱

  20. 3-3 CPU的設計架構與技術 • 3-3-1　CISC V.S. RISC • 3-3-2管線 • 3-3-3超純量處理器 • 3-3-4平行處理 CISC: Complex instruction set computing RISC: Reduced instruction set computing 前往3-4　記憶體 回章節大綱

  21. 3-3-1　CISC V.S. RISC • CISC V.S. RISC 回3-3 CPU的設計架構與技術 回章節大綱

  22. 3-3-2　管線 • 在執行一個指令的過程中，CPU某個元件先完成指令某部分，再由其它元件完成指令其它部分。　 回章節大綱

  23. 3-3-2　管線 回3-3 CPU的設計架構與技術 回章節大綱

  24. 3-3-3　超純量處理器 • 擁有多個相同元件同時執行多個指令的處理器叫做超純量處理器（superscalar processor） 回3-3 CPU的設計架構與技術 回章節大綱

  25. 3-3-4　平行處理 • 平行處理是一部電腦裡面有多個處理器，每個處理器都像一個CPU，可以獨立執行工作，至於主記憶體及輸入/輸出裝置則是共用。 MIMD: Multiple-instruction stream, multiple-data stream (平行處理方式) SIMD: Single-instruction stream, multiple-data stream (傳統處理方式) 回3-3 CPU的設計架構與技術 回章節大綱

  26. 3-4　記憶體 • 3-4-1記憶體的種類 • 3-4-2記憶體的階層 • 3-4-3主記憶體的定址方式 回章節大綱 前往3-5　電腦與週邊通訊

  27. 3-4-1記憶體的種類 記憶體有RAM (隨機存取記憶體) 與ROM (唯讀記憶體) 。 • RAM又分成下列兩種： • DRAM (dynamic RAM，動態隨機存取記憶體), 主記憶體 • SRAM (static RAM，靜態隨機存取記憶體), 快取記憶體 • ROM又分成下列三種： • PROM (programmable ROM) , 透過燒入器寫入資料 • EPROM (erasable PROM) , 透過紫外線寫入資料 • EEPROM (electronically EPROM) , 透過電流寫入資料 RAM: random access memory ROM: read only memory 課後自習: P3-25 BIOS 回3-4　記憶體 回章節大綱

  28. 3-4-2　記憶體的階層 • 暫存器 (register) • 快取記憶體 (cache memory) • 主記憶體 (main memory) 回3-4　記憶體 回章節大綱

  29. 3-4-3　主記憶體的定址方式 • 主記憶體由許多記憶體單元 (cell) 組成，不同機器可能有不同數目的記憶體單元。 • 為了加以辨識，每個記憶體單元都有唯一位址（address），同時這些位址是從0開始，照順序編號。 回3-4　記憶體 回章節大綱

  30. 3-5　電腦與週邊通訊 • 電腦內部的電子訊號是由匯流排進行傳送，由下列三組電路所組成 (圖)： • 資料線 (data line) • 位址線 (address line) • 控制線 (control line) • 匯流排又分為下列兩種： • 系統匯流排 • 擴充匯流排 回章節大綱

  31. 3-5　電腦與週邊通訊 PC常見的擴充匯流排： • 硬碟、軟碟與光碟控制介面 • PS/2埠 • 序列埠 (COM) • 平行埠 (LPT) • 內建音效晶片插槽 • PCI-E 回章節大綱

  32. 3-5　電腦與週邊通訊 PC常見的擴充匯流排： • USB • IEEE 1394 • 紅外線傳輸埠 (IrDA) • IrDA Data • IrDA Control • 其它擴充插槽 • 顯示器插槽、網路卡插槽、SCSI卡插槽、數據卡插槽、音效卡插槽等擴充插槽 回章節大綱

  33. 音效卡 網路卡 回原章節

  34. 3-6　輸入/輸出的定址方式 • 3-6-1隔離I/O • 在隔離I/O (isolated I/O) 中，每個週邊均有唯一位址。主記憶體與週邊使用不同之讀寫指令。 • 3-6-2記憶體映射I/O • 在記憶體映射I/O 中，每個週邊均有唯一的位址，這些位址是從主記憶體的部分定址空間配置出來。主記憶體與週邊使用相同之讀寫指令。 回章節大綱

  35. 隔離I/O 回原章節

  36. 記憶體映射I/O 回原章節

  37. 3-7　輸入/輸出介面 輸入/輸出介面主要的工作有： • 與週邊溝通； • 與CPU和主記憶體溝通； • 做為資料緩衝區； • 錯誤偵測與回報。 輸入/輸出介面 回章節大綱

  38. 3-7-1　程式控制I/O • 程式控制I/O（program-controlled I/O）又稱為輪詢式I/O（polling I/O），當CPU與週邊傳送資料時，CPU必須一直詢問輸入/輸出介面，才能掌握週邊的狀態，無法執行其它工作（圖）。 回章節大綱

  39. 回原章節

  40. 3-7-2　中斷式I/O • 在中斷式I/O（interrupt-driven I/O）中，CPU會先通知週邊即將開始傳送資料，之後便執行其它工作，待資料傳送完畢後，週邊會發出中斷要求（interrupt request） 通知CPU，一旦CPU收到中斷要求，就會暫時停止目前正在執行的工作，改去執行中斷要求所指定的工作（圖）。 回章節大綱

  41. 3-7-3　直接記憶體存取 (DMA) • 為減少CPU負荷，當主記憶體與週邊間要傳送資料時，CPU只要將傳送類型、位址、資料的位元組數目等訊息通知DMA，就可以執行其它工作，由DMA直接向週邊取得資料，傳送給主記憶體，不再打擾CPU，電腦效能自然提昇 （圖）。 回章節大綱

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