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 3-1 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： 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

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

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

3-2-1 控制單元(CU) 硬體電路控制 V.S. 微程式控制 優點 缺點 硬體電路控制 執行速度較快 成本較高 不易修改控制單元的設計 硬體設計較複雜 微程式控制 成本較低 容易修改控制單元的設計 硬體設計較簡單 執行速度較慢 回章節大綱

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

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

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

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

3-2-4 電腦的效能 時間單位 單位 簡寫 十進位 毫秒 (millisecond) ms 10-3 皮秒 (picosecond) ps 10-12 微秒 (microsecond) μs 10-6 飛秒 (femtosecond) fs 10-15 奈秒 (nanosecond) ns 10-9 阿秒 (attosecond) as 10-18 回章節大綱 回3-2-4 電腦的效能

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 內頻 CPU工作時所採用的頻率，倍頻乘上外頻。 回章節大綱

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

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

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

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

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

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 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 回章節大綱 前往3-4　記憶體

3-3-1 CISC V.S. RISC CISC V.S. RISC 優點 缺點 RISC 容易結合管線或超純量技術 指令集較精簡，容易學習 控制電路較簡單 通用暫存器數目較多 指令種類較少 定址模式較少 需要特殊的編譯器進行最佳化 CISC 指令種類較多 定址模式較多 不需要特殊的編譯器 無明顯的最佳化功能 指令集較複雜，不易學習 控制電路較複雜 通用暫存器數目較少 回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

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

3-3-2　管線 回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

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） 回章節大綱 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） 回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

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。 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) 回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

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

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： ROM又分成下列三種： 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 回章節大綱 回3-4　記憶體

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) 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) 回章節大綱 回3-4　記憶體

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。 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。 回章節大綱 回3-4　記憶體

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)： 匯流排又分為下列兩種： 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

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) 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

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) 其它擴充插槽 IrDA Data 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

音效卡 網路卡 回原章節

3-6 輸入/輸出的定址方式 3-6-1 隔離I/O 3-6-2 記憶體映射I/O 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

隔離I/O 回原章節

記憶體映射I/O 回原章節

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。 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

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

回原章節

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

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