中央處理器 (CPU) 電腦內部是怎麼運作的

學習目的 講解中央處理器的各個組成元件，說明他們彼此間如何運作以及與記憶體的溝通 描述電腦如何執行程式指令 解釋電腦如何表示資料 描述電腦如何找到指令和資料 講解微電腦系統單元上的主機板的各個元件 明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法

內容 CPU 儲存體類型 執行程式 在記憶體中尋找資料 系統單元 微處理器 半導體記憶體 匯流排 速度和能力

CPU

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)

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

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

算術運算 加法 減法 乘法 除法 + - / *

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 AND OR >= <= > < < > =

真值表 Truth table A B A and B Not A A or B T F

暫存器 各有特殊的用途 速度快 是個暫時存放的地方 位於 CPU 中 指令暫存器 資料暫存器 儲存目前正在執行的指令 儲存正等著被處理的資料 儲存處理過後的結果

儲存體類型 輔助儲存體 記憶體 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 儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料 存取速度記憶體快

儲存體容量的測量單位 KB – kilobyte MB – megabyte GB – gigabyte TB – terabytes 1024 (210)個位元組 有些磁片 快取記憶體 MB – megabyte 約百萬(220)個位元組 RAM GB – gigabyte 約十億(230)個位元組 硬碟 CD 和 DVD TB – terabytes 約一兆個位元組 大型硬碟

主要儲存體 (primary storage) 記憶體 它有許多名稱 主要儲存體 (primary storage) Primary memory Main storage Internal storage 主記憶體 (Main memory)

隨機存取記憶體 (Random Access Memory) 記憶體的主要類型 RAM 隨機存取記憶體 (Random Access Memory) ROM 唯讀記憶體 (Read Only Memory)

RAM 需要電流才能保持資料 揮發性 (Volatile) 可以讀取及修改裡面的指令和資料 使用者通常是指這種記憶體

RAM 裡有什麼? 作業系統 目前正在執行中的程式 上述程式需要的資料 等著要輸出的中間結果

ROM 非揮發性 (Non-volatile) 負責開機的指令 裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改 這些指令通常是在工廠裡燒錄進去的

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

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

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

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

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) 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

資料表示法 開 /關 (On/Off) 使用二進位系統來表示電路的狀態 1 ON OFF

數字系統 十進位 八進位 十六進位 1-7 8-9 10-11 10 12 A 11 13 B 14 C 15 D 16 E 17 F

長除法 十進位轉換成二進位，用 2 為除數來做長除法，取其餘數和最後一個商數。 十進位轉換成八進位，用 8 為除數來做長除法，取其餘數和最後一個商數。 ……依此類推

負數與補數 負數在二進位系統中的表示法 符號-大小 最左位元來代表正負號，通常 0 代表正數，而 1 代表負數。 最左位元來代表正負號，通常 0 代表正數，而 1 代表負數。 二的補數 (2’s Complement) 將二進位數值反向（01, 10），再於最右位元加 1

練習 一 十進位與二進位轉換, 1918  (X)2 八進位與十六進位轉換, (1753)8  (Y)16 10-2＝10+(-2)=8, 請以二進位2的補數方式表示計算

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

編碼機制 BCD (Binary Coded Decimal) ASCII 使用一個包含8個位元的位元組 28 = 256 種可能的組合或字元 用在幾乎所有的 PC 和許多較大型的電腦 BCD (Binary Coded Decimal) 用4個位元組合的二進位值來表示十進位的 0 到 9 十個數字 EBCDIC 28 =256種可能的組合或字元 主要用在 IBM 相容的大型主機 Unicode 使用兩個包含8個位元的位元組 (16 個位元) 216 = 65,536 種可能的組合或字元 可支援世界上所有語言所需要的字 與 ASCII 回溯相容

系統單元 黑盒子 放置電腦元件 主機板 儲存設備 連線 有些Apple Macintosh電腦則是把系統單元放在螢 幕外殼裡

系統單元 黑盒子 主機板包含 微處理器晶片 記憶體晶片 與其它硬體部分的連線 其它可能加入的晶片 – 如數學輔助處理器

系統單元 黑盒子 儲存設備 硬碟機 軟碟機 CD-ROM 光碟機 DVD-ROM光碟機

微處理器 CPU 是蝕刻在一個晶片上 晶片大小是 ¼ x ¼ 吋 由矽元素組成 包含數百萬個電晶體 它是可控制電流通過的電子閘門

微處理器的組成元件 控制單元 – CU 算術邏輯單元 – ALU 暫存器 系統時鐘

發明出更好的微處理器 將整個電腦的電路放進一片微晶片中 執行先前由其他硬體所負責的功能 更便宜 更快 數學輔助處理器現在是微處理器的一部分 多媒體指令現在也成了微處理器的一部分

發明出更好的微處理器 合併到微處理器上的功能越多： 電腦跑得更快 造價更便宜 更穩定

微處理器的種類 Intel Pentium Celeron Xeon Core 2 Intel 相容 Cyrix AMD

微處理器的種類 PowerPC Alpha 由 Apple、IBM 和 Motorola 所合作設計 主要是用在Apple Macintosh個人電腦家族上 它也可以用在伺服器與內嵌式系統中 Alpha 由Compaq (康柏) 所製造 用在高階伺服器與工作站上

半導體記憶體 可靠度高 體積小 低價位 低功率 可大量製造符合經濟效益 揮發性 Monolithic 晶片上的所有電路構成了一個不可分割的儲存單元

半導體記憶體 CMOS 互補金氧半導體 (Complementary metal oxide semiconductor) 只耗用一點點電力 用在 PC 上儲存電腦在開機過程所需要的硬體設定資訊 藉由電池的電力使它在電腦關機後仍然保存著資料

RAM 保存目前執行中程式的指令與資料 在記憶體裡的資料可以被隨機存取 存取方便且快速 揮發性 電源關閉後 RAM 上的資料就會消失

RAM 的種類 SRAM 只要有電力，儲存內容就會依舊存在 速度比 DRAM 快 用在 Cache memory

RAM 的種類 DRAM 必須持續充電 因為它的體積與價格的優勢，大多數的 PC 記憶體都使用它 SDRAM Rambus DRAM 價格較貴 DDR, DDR II

擴充 RAM 購買封裝在電路板上的記憶體模組 SIMM (Single In-Line Memory Module)– 晶片是安裝在電路板的一邊 DIMM – 晶片是安裝在電路板的兩邊 你能安裝的RAM數量最多是多少，取決於主機板的設計

ROM 在工廠製造時便燒錄了永久的程式和資料 可以被讀取 可以被使用 使用者不能修改 儲存電腦開機時所需要啟動的開機程序 非揮發性

PROM 可程式化 (Programmable) ROM ROM 燒錄器 (ROM burner) 可以修改某些特殊 ROM 晶片上的指令

系統匯流排 一組傳送電子訊號的電路 系統匯流排 匯流排寬度 速度是用 megahertz (MHz) 來衡量 負責在 CPU 與記憶體之間傳送資料 匯流排寬度 電腦一次可以傳輸的資料位元數 通常會和 CPU 的字組 (word) 大小一致 速度是用 megahertz (MHz) 來衡量

CPU 可以支援較大的數字精確度以及更多種類的指令 系統匯流排 匯流排寬度越大 = 電腦的運算能力越強 CPU 一次可以傳輸更多的資料 電腦速度變快 CPU 能參考到更大的記憶體位址 有更多的記憶體 CPU 可以支援較大的數字精確度以及更多種類的指令

擴充匯流排 連接到擴充槽 將擴充電路板插入擴充槽裡 提供外部的連接端 / 連接埠 介面卡 (interface card) adapter card 提供外部的連接端 / 連接埠 序列埠 平行埠

擴充匯流排

PC 匯流排與連接埠 用在慢速的裝置如滑鼠和數據機上 適用於連接高速的裝置如硬碟和網路卡上 連接記憶體與圖形卡以提供更快速的視訊效能 ISA 用在慢速的裝置如滑鼠和數據機上 PCI 適用於連接高速的裝置如硬碟和網路卡上 AGP 連接記憶體與圖形卡以提供更快速的視訊效能 USB 支援 “daisy-chaining” 功能，省去需要多張擴充卡的麻煩；可以“熱切換” (hot-swappable) IEEE 1394 (FireWire) 一種高速的匯流排，通常是用在連接視訊設備到你的電腦上 PC Card 信用卡般大小的 PC Card 裝置，通常是用在筆記型電腦上

速度和運算能力 是什麼因素讓某台電腦比其他電腦更快呢？ 微處理器的速度 匯流排的大小 快取的大小(cache) 快閃記憶體 RISC 電腦 平行處理

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

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)

快取 (Cache) 它是一塊小但非常快速的暫存記憶體 目的為了加速內部資料和軟體指令的傳輸 存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令

快取 (Cache) 第 3 步 傳送到 CPU 和快取中 處理器 快取 第 2 步 到主記憶體中的該位址去讀取 第 1 步 R A M 快取 第 2 步 到主記憶體中的該位址去讀取 第 1 步 處理器要求擷取資料或指令 下一次微處理器需要資料或指令時 先到記憶體快取中尋找 找不到再到記憶體中尋找

快取的種類 內部快取 外部快取 第一級 (L1) 內建在微處理器中 最多到 128KB 第二級 (L2) 在單獨晶片上 256KB 或 512 KB SRAM 技術 它比L1快取便宜但是較慢 比記憶體快但是較貴

快閃記憶體 非揮發性 RAM 使用在 行動電話 數位相機 數位錄音器 PDA

指令集 CISC (Complex Instruction Set Computing)技術 複雜指令集計算模式 一般傳統電腦 其中許多指令很少用到 RISC (Reduced Instruction Set Computing)技術 精簡指令集計算模式 只提供一小組指令 速度增快 適合很少用到複雜指令的程式 繪圖領域 工程領域

運算處理的種類 循序處理 平行處理 每次只執行一項指令 擷取、解碼、執行、儲存 同一時間有多個處理器同時工作 有能力處理每秒鐘數兆個浮點數運算指令 例如網路伺服器與超級電腦

運算處理的種類 管線技術 (Pipelining) 指令的動作並不需要在下一個指令開始運作前完成 例如指令 1 完成擷取動作開始解碼後，就可以開始擷取指令 2