1. 第四章 中央處理器 (CPU)： 電腦內部是怎麼運作的
電腦：資訊時代的利器
第四章
中央處理器 (CPU)： 電腦內部是怎麼運作的

2. 中央處理器 (CPU)
一組電路設計複雜的晶片
執行儲存在記憶體中的程式指令
分成兩部份
控制單元
算術邏輯單元 (ALU)

3. 控制單元
指示電腦系統去執行程式指令
必須負責ALU和記憶體之間的溝通
必要時從輔助儲存體傳送資料和指令到記憶體中
Return

4. 算術邏輯單元 負責執行所有的算術和邏輯運算 算術運算 邏輯運算 加法、減法、乘法、除法 比較數字、字母或特殊字元 測試多種比較條件 等於條件
小於條件
大於條件
Return

5. 資料儲存體和 CPU 兩類儲存裝置： 主要儲存裝置 (記憶體) 輔助儲存裝置 暫時性的儲存資料 CPU 在參考程式指令和資料時都會用到它
長期儲存裝置
儲存在外部媒體中，如磁碟

6. CPU 與記憶體 CPU 無法直接處理從磁碟或輸入裝置而來的資料 資料是傳送到 ALU 來處理
資料必須先存放在記憶體中
控制單元負責從磁碟擷取資料，並搬移到記憶體中
資料是傳送到 ALU 來處理
控制單元負責將資料傳送到 ALU，處理後再傳回記憶體
資料和指令會一直保存在記憶體中，直到被傳送到輸出或儲存裝置，或是程式執行完畢為止

7. 暫時性的儲存區域
暫存器
記憶體

8. 暫存器 高速的暫時性儲存區域 由控制單元直接指揮 位置在 CPU 中 用來接受、保留或搬移指令與資料
記錄下一條要執行的指令或所需資料存放在記憶體中的位置
Return

9. 記憶體 也稱為主要儲存裝置或是主記憶體 用來存放程式執行中需要用到的指令或資料 只要程式正在執行當中就會一直儲存資訊
通常是用RAM (random-access memory ) 這個名稱來表示
不是CPU的一部分
用來存放程式執行中需要用到的指令或資料
只要程式正在執行當中就會一直儲存資訊
Return

10. CPU 如何執行程式指令 每一條指令都經過四個步驟 每種 CPU 都有它自己的指令集 機器循環週期：執行一條指令所需要的時間量
個人電腦可以在不到百萬分之一秒的時間完成
超級電腦則不到兆分之一秒
每種 CPU 都有它自己的指令集
CPU 所能了解和執行的那些指令

11. 機器循環週期
擷取、執行和儲存運算動作所需要的時間 元件
指令時間
執行時間
系統時鐘 (system clock) 讓電腦所有的運作同步

12. 指令時間 也稱為 I-time 控制單元從記憶體中擷取 (fetch) 指令，然後放進暫存器中
控制單元將此指令解碼 (decode)，並決定所需要的資料在記憶體中的位置
Return

13. 執行時間 也稱為 E-time 控制單元將資料從記憶體搬移到ALU內的暫存器中 控制單元將運算的結果存放在記憶體或暫存器中
Return

14. 記憶體位址 每個記憶體位置都有個位址 (address) 可能存放一條指令或是一筆資料 以數字來參考 獨一無二的編號，就像信箱一樣
當資料寫入記憶體位置時，該位址原來的內容就被覆蓋了
以數字來參考
程式語言是使用符號位址，如 Hours 或 Salary

15. 資料表示法 電腦只知道兩件事：開 (on) 和關 (off) 以二進位格式來表示資料 二進位 (binary，以 2 為基底) 數字系統
只包含兩個數字，0 和 1
對應到兩種狀態，開和關

16. 資料的表示法 位元
位元組 字組

17. 位元 (Bit) binary digit 的縮寫 儲存資料的基本單位 兩種可能的數值：0 和 1 不可能是空的 (empty)
0 代表關，1 代表開
Return

18. 位元組 (Byte) 一組 8 個位元的集合 對於文字而言，可用來儲存一個字元 (character)
每個位元組有 256 (28) 種可能的值
對於文字而言，可用來儲存一個字元 (character)
可以是英文字母、數字或特殊字元
記憶體與儲存裝置是以位元組的個數來衡量
Return

19. 字組 (Word) CPU在處理時當作一個單位的位元個數 通常是位元組的整數倍 字組愈大，代表電腦的功能愈強
個人電腦通常是 32 或 64 個位元
Return

20. 儲存裝置的大小 千位元組 (Kilobyte)：1024 (210) 個位元組
舊型個人電腦的記憶體容量
百萬位元組 (Megabyte)：大約一百萬 (220) 個位元組
個人電腦的記憶體
可攜式儲存裝置 (磁片、CD-ROM 光碟片)
Return

21. 儲存裝置的大小 十億位元組 (Gigabyte)：大約十億 (230) 個位元組 儲存裝置 (硬碟) 大型主機和網路伺服器的記憶體
兆位元組 (Terabyte)：大約一兆 (240) 個位元組
非常大型系統的儲存裝置

22. 編碼機制
用來表示每個字元的表示法
如此一來電腦才可以交換資料
常見的編碼機制
ASCII
EBCDIC
Unicode

23. ASCII American Standard Code for Information Interchange 的縮寫 最被廣泛使用的標準
幾乎所有個人電腦都使用它
Return

24. EBCDIC Extended Binary Coded Decimal Interchange Code
主要用在 IBM 和 IBM 相容大型主機上
Return

25. Unicode 為了要容納比 256 個字元更多的國家文字而設計 使用 16 個位元來代表一個字元 需要大約兩倍的空間來儲存資料
65,536 個可能值
需要大約兩倍的空間來儲存資料
Return

26. 系統單元
用來放置電腦系統的電路元件整個包裝的統稱
主機板
儲存裝置

27. 主機板
是一塊平面的電路板，上面存有電腦的電路系統
中央處理器 (微處理器) 是最重要的元件
Return

28. 儲存裝置
記憶體的長期儲存裝置
關閉電源時資料不會消失
例如硬碟、磁片、DVD-ROM
Return

29. 微處理器
在矽晶片上蝕刻的中央處理器
包含數百萬到數千萬個微小的電晶體
關鍵元件：
中央處理器 (CPU)
暫存器
系統時鐘
Return

30. 電晶體
控制電流能否通過的電子閘門
如果電流能通過，表示電閘是開的，則代表位元1
否則就表示電閘是關的，此時代表位元0
Return

31. 晶片類型 Intel 製造出一系列處理器 其他處理器 目前大部分 PC 上是包含 Pentium III 或 Pentium4 處理器
Celeron 處理器是專門針對低價 PC
Xeon 和 Itanium 是專為高階工作站與網路伺服器所設計
其他處理器
Cyrix 和 AMD 公司製造出與 Intel 相容的微處理器
PowerPC 晶片主要是用在 Macintosh 電腦上
Compaq 公司的 Alpha 微處理器主要是用在高階伺服器上

32. 記憶體元件
半導體記憶體
RAM 和 ROM
快閃記憶體

33. 半導體記憶體 大部分的現代電腦都使用它 可靠度高、體積小、低價位 揮發性 (Volatile)：需要連續不斷的電流 才能保留資料
當電源關掉後，資料也就跟著消失
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金氧半導體)
當電源關掉後仍可保存資料
用來儲存電腦在開機過程所需要的資訊
Return

34. RAM 和 ROM
隨機存取記憶體 (RAM)
唯讀記憶體 (ROM)
Return

35. 隨機存取記憶體 可以隨機存取資料 類型： 封裝成電路版 存取記憶體位址 10 和記憶體位址 10,000,000 所花的時間一樣多
靜態 RAM (SRAM)
動態 RAM (DRAM)
封裝成電路版
Single in-line memory module (SIMM)
Dual in-line memory module (DIMM)
Return

36. 靜態 RAM
SRAM只要一直有電力供應，資料就會一直存在
比 DRAM 更快也更貴
一般是使用 Level 2 快取
Return

37. 動態 RAM CPU 必須持續定期寫入資料，否則資料將會流失 個人電腦記憶體是採用DRAM
Synchronous DRAM (SDRAM)：一種比較快的 DRAM，目前大部分的 PC 都使用它
Rambus DRAM (RDRAM)：比 SDRAM 更快，等它克服成本的障礙之後就會成為市場主流
Return

38. 唯讀記憶體 裡面包含在工廠製造時便燒錄進去的特定程式和資料 可程式化唯讀記憶體 (Programmable ROM，PROM) 晶片
使用者無法修改
非揮發性：在電源關閉時，儲存的資料仍然不會消失
可程式化唯讀記憶體 (Programmable ROM，PROM) 晶片
晶片上的某些指令是可以修改的
Return

39. 快閃記憶體 (Flash Memory) 非揮發性 RAM 被使用在行動電話、數位相機和某些手持式電腦上 快閃記憶體晶片的外觀類似信用卡
比磁碟機小而且需要的電力少得多
Return

40. 系統匯流排 一組負責在CPU與記憶體之間傳送資料的平行電路 匯流排寬度 匯流排速度 用來負載資料的電路路徑的個數 以位元為單位
以 megahertz (MHz) 為單位

41. 匯流排寬度 通常等於 CPU 的字組長度 匯流排寬度越大，CPU 就可以： 一次可以傳輸多一點的資料 能利用更大的記憶體位址編號
使電腦速度變快
能利用更大的記憶體位址編號
可以有更多的記憶體
支援更多不同的指令
Return

42. 匯流排速度
匯流排速度越快，資料在系統中傳輸的速度就越快
個人電腦的匯流排速度通常藉於 400 到 533 MHz 之間
Return

43. 擴充匯流排
將週邊裝置加入系統
擴充電路版
連接埠
常見的擴充匯流排

44. 擴充電路板
連接到主機板上的擴充槽 (expansion slot)
用來將各種不同的週邊裝置與電腦相連接
Return

45. 連接埠 是外部的連接頭，可以讓如印表機之類的週邊裝置插上 連接埠分成兩種 序列埠：一次傳輸一個位元 平行埠 ：一次傳送一群位元
適用於慢速的裝置，如滑鼠和鍵盤
平行埠 ：一次傳送一群位元
適用於比較快的週邊裝置，如印表機和掃描器
Return

46. 常見的擴充匯流排和連接埠 Industry Standard Architecture (ISA) 匯流排
用在慢速的裝置上，如滑鼠和數據機
Peripheral Component Interconnect (PSI) 匯流排
適用於連接高速的裝置上，如硬碟和網路卡
Accelerated Graphics Port (AGP)
可提供更快速的視訊效能
Universal Serial Bus (USB) 連接埠
可以將多個裝置連成一串插入到 USB 連接埠
IEEE 1394 匯流排
一種高速的匯流排，通常是用在連接視訊裝置
PC Card 匯流排
通常是用在筆記型電腦上，用來插入信用卡般大小的裝置
Return

47. 電腦運算速度 執行指令的速度是以幾分之一秒為單位 千分之一秒 (Millisecond)：一秒鐘的千分之一
百萬分之一秒 (Microsecond)：一秒鐘的百萬分之一
十億分之一秒 (Nanosecond)：一秒鐘的十億分之一
目前最新的電腦已經達到這個速度
兆分之一秒 (Picosecond)：一秒鐘的兆分之一

48. 微處理器的速度 測量系統時鐘的速度 直接比較時鐘速度只對相同的微處理器有意義 每秒可產生多少個電波
通常是以十億赫茲 (gigahertz，GHz) 來表示
每秒多少十億個機器循環
有些老 PC 是以百萬赫茲 (megahertz，MHz) 為單位
直接比較時鐘速度只對相同的微處理器有意義

49. 其他的效能測量方式 Millions of Instructions per Second (MIPS)
通常要比測量系統時鐘速度來得準確
Megaflop：每秒一百萬個浮點運算
用來衡量電腦處理複雜數學計算的能力

50. 快取
一塊暫存區域
為了加快電腦中資料傳輸速度所設計的
記憶體快取
處理器快取

51. 記憶體快取 是一塊小但非常快速的記憶體 微處理器需要資料或指令時會先到記憶體快取中尋找 用來存放最近用過或最常被使用到的資料和指令
從快取中傳輸會比從記憶體快很多
如果不在快取裡，控制單元會改從記憶體擷取
在快取中越常成功找到 (hit)，系統效能就越快
Return

52. 處理器快取 內部 (第一級，Level 1) 快取是內建在微處理器中 外部 (第二級，Level 2) 快取是另外儲存在單獨晶片上
存取速度最快，但是價格最貴
外部 (第二級，Level 2) 快取是另外儲存在單獨晶片上
有些新款的微處理器晶片，已經把它也納入處理器晶片中
Return

53. RISC 技術 精簡指令集計算 (Reduced Instruction Set Computing)
使用較小的子集為指令集
較少的指令可增快速度
缺點：複雜的運算就必須要拆分成多個小步驟來處理
傳統的處理器是使用 CISC (複雜指令集計算，Complex Instruction Set Computing)

54. 平行處理和管線技術
管線處理
將傳統的循序處理方式加以改進
平行處理
同時使用多個處理器

55. 管線技術 在機器循環週期的每個步驟都送一條新指令到 CPU 當中 當指令 1 正在解碼的同時就擷取指令 2，而不是等到整個循環週期結束才擷取
Return

56. 平行處理 控制處理器將問題切分成幾個部份 每個部份都分別傳送給各個處理器 每個處理器都有它自己的記憶體 最後由控制處理器將結果整合
Return

57. 平行處理
有些使用平行處理技術的電腦其速度可達teraflop，也就是每秒鐘數兆個浮點數運算 (trillions of floating-point instructions per second)