1 Computer Hardware

2 內容 CPU Program Execution 測量 CPU 的速度 儲存體的基本認識

3 Computer System 輸入 (input) 處理 (processing) 輸出 (output) 儲存 (store)

4 CPU

5 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)

6 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

7 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

8 算術運算 加法 減法 乘法 除法

9 邏輯運算 評估條件值 進行比較 可以比較 – 數字 – 字母 – 特別字元

10 暫存器 (Register) 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 儲存目前正在執行的指令 資料暫存器 儲存正等著被處理的資料 儲存處理過後的結果 缺點：非常貴

11 ALU How to Work? Control Unit memory register … 抓取指令 存取資料

12 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 控制權回到 CU

13 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

14 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 CU 將運算後的結果存放在記憶體或暫存器中

15 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 每一個 CPU 指令至少必須要花一個脈波才能完成 每一種類型的 CPU 都有一組指令集 – 也就是它 能了解與處理的指令 ? Not for VLIW

16 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

17 微處理器的速度 時鐘速度 – 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)

18 微處理器的速度 (cont’d) 通常用 clock cycle 表示 ( 時脈週期 ) 較準確的衡量可用 CPI (cycle / per instruction) Ex: CPU 2GHz (clock rate) – 頻率： 2G cycles/sec – 週期： 0.5x10^-9 sec /cycle => 0.5 ns

19 太高的時脈週期有什麼問題？ 太熱了 … 有多熱？ CPU 煎蛋 散熱和風散是很重要的 超頻也有極限 …

20 找一台體質優良的電腦 鍋子要準備好 …

21 當然要加點食用油，以免沾 CPU 面紙也是必備的喔 把 CPU 上面的風扇拿掉 …

22 擺好你的鍋子，把電腦插上電， 就可以開始煮了 很快，蛋就會熟了，記得要加調 味料

23 可以廢物利用，但不要虐待電腦 …

24 The Storage ALU Control Unit register … 抓取指令 存取資料 memory

25 為什麼需要儲存體？ 處理器運算時 – 暫時儲存資料的地方 即將被處理的資料 運算的結果 – 暫時存放程式 ( 指令 ) 的地方 關機後，資料將會消失 – 重要資料必須於關機前存放於磁碟中 register cache main memory Floppy Hardisk CD-R / DVD- R

26 儲存體的種類 輔助儲存體 – 儲存以後要用到的資料 – 長期儲存 記憶體 – 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 快取 cache 暫存器 – 儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料 – 存取速度最快

27 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) – 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 門牌號碼

28 Memory cells arranged by address

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

30 位元、位元組、字組 位元 ( BIT) – 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

31 The organization of a byte-size memory cell

32 Conclusion CPU 包含 – CU (Control Unit) – ALU (Arithmetic / Logic Unit) 記憶體利用位址來存取資料和指令 要愛惜你的電腦