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
系統單元
中央處理器 (CPU)
CPU的設計架構與技術
記憶體
電腦與週邊通訊
輸入/輸出的定址方式
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
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4. 3-1 系統單元
不同形式的系統單元。
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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…
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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。
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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)
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8. 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
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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
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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。
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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
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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。
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13. 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
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回3-2-4 電腦的效能

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。 倍頻內頻
CPU工作時所採用的頻率，倍頻乘上外頻。
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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
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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。
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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
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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
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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
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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
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
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前往3-4　記憶體

21. 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
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回3-3 CPU的設計架構與技術

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。　
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23. 3-3-2　管線
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回3-3 CPU的設計架構與技術

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）
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回3-3 CPU的設計架構與技術

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。
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)
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回3-3 CPU的設計架構與技術

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
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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： 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
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回3-4　記憶體

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)
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)
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回3-4　記憶體

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。
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。
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回3-4　記憶體

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)： 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
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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)
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
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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) 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
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33. 音效卡
網路卡
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34. 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。
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35. 隔離I/O
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36. 記憶體映射I/O
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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。
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
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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）。
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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）。
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42. 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）。
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