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資訊科技概論 CHAPTER 4 中央處理單元與主記憶體類是萬物之靈, 主因在於我們有顆能思考計算記憶等的 " 大腦 "

是電腦進行資料處理及運算的主要元件, 也是整部電腦運作的核心電腦處理速度的快慢, 關鍵就在於 CPU 的效能 4-1.

另外用來存放運算時所需使用的指令及資料之暫存器 (register) 快取記憶體 (cache memory) 等, 也是 CPU

1 資訊科技概論 CHAPTER 4 中央處理單元與主記憶體類是萬物之靈, 主因在於我們有顆能思考計算記憶等的 " 大腦 " 人電腦也有 " 大腦 "-CPU, 讓它也能榮登萬機 ( 機器 ) 之王寶座 4-1 中央處理單元 -CPU CPU 是電腦進行資料處理及運算的主要元件, 也是整部電腦運作的核心電腦處理速度的快慢, 關鍵就在於 CPU 的效能 CPU 的功能及結構 CPU 主要是由控制單元與算術 / 邏輯單元所組成 ( 圖 4-1), 另外用來存放運算時所需使用的指令及資料之暫存器 (register) 快取記憶體 (cache memory) 等, 也是 CPU 內部的重要元件資料的算術運算與邏輯判斷控制協調電腦各單元間的相互運作存放最常被用到的資料或指令存放運算中的資料, 以及記錄程式執行的狀態圖 4-1 CPU 的組成示意圖 58

度第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 控制單元算術 / 邏輯單元控制單元的功能是控制與協調電腦各單元間的運作 ; 算術 / 邏輯單元則負責資料的運算與邏輯判斷, 此兩單元已在第 3 章第 1 節說明暫存器暫存器負責暫時存放 CPU 運算過程中的資料及程式執行的狀態, 例如即將執行的指令及運算的結果等, 都會分別存放在不同的暫存器中

2 度第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 控制單元算術 / 邏輯單元控制單元的功能是控制與協調電腦各單元間的運作 ; 算術 / 邏輯單元則負責資料的運算與邏輯判斷, 此兩單元已在第 3 章第 1 節說明暫存器暫存器負責暫時存放 CPU 運算過程中的資料及程式執行的狀態, 例如即將執行的指令及運算的結果等, 都會分別存放在不同的暫存器中快取記憶體快取記憶體是一種存取速度比主記憶體快的記憶體, 這種記憶體可用來存放常被 CPU 使用到的資料或指令, 以減少 CPU 到主記憶體讀取資料或指令的次數, 因此可提升電腦的處理效能但因其製作成本昂貴, 故快取記憶體容量通常不大快取記憶體運作的原理是 :CPU 到主記憶體擷取資料時, 會將一整個區塊的連續資料複製到快取記憶體中, 當 CPU 需要再使用此一區塊中的資料時, 即可直接到快取記憶體中讀取快取記憶體常分為 L1 L2 L3 等 3 種, 其中 L1 L2 位於 CPU 內部 ;L3 則位於主記憶體與 CPU 之間 ( 目前部分新款的 CPU, 如 AMD Opteron CPU, 已將 L3 同時內建在 CPU 中 ) 圖 4-2 為快取記憶體示意圖快圖 4-2 快取記憶體示意圖慢速59

註其中擷取及解碼兩階段合稱為指令週期 (Instruction cycle, 簡稱 I-cycle); 執行及儲存兩階段則合稱為執行週期 (Execution cycle, 簡稱 E-cycle) 控制 1 step 控制單元從記憶體中擷取指令及資料單元記憶體儲存擷取執行解碼算術 / 邏輯單元 2 step 控制單元將指令解碼並將運算所需的資料, 傳送到算術 / 邏輯單元 4

3 資訊科技概論指令運作週期 CPU 在執行指令時, 必須先透過控制單元從記憶體中擷取指令及資料, 再將指令進行轉換, 使算術 / 邏輯單元瞭解指令的意義, 才能進行運算處理的工作, 運算完成之後, 運算結果會儲存至記憶體中或在螢幕上顯示出來因此 CPU 執行一個指令的過程主要包含有擷取解碼執行儲存等 4 個步驟 ( 圖 4-3), 這 4 個步驟合稱為機器週期 (machine cycle) 註其中擷取及解碼兩階段合稱為指令週期 (Instruction cycle, 簡稱 I-cycle); 執行及儲存兩階段則合稱為執行週期 (Execution cycle, 簡稱 E-cycle) 控制 1 step 控制單元從記憶體中擷取指令及資料單元記憶體儲存擷取執行解碼算術 / 邏輯單元 2 step 控制單元將指令解碼並將運算所需的資料, 傳送到算術 / 邏輯單元 4 step 控制單元將運算或處理結果存至暫存器或記憶體圖 4-3 CPU 執行指令的步驟示意圖 3 step 算術 / 邏輯單元進行資料的運算 ( 包括算術運算及邏輯判斷 ) 每一個機器週期通常只有幾百萬分之一秒 ( 甚至更短 ) 的時間, 因此也有人使用 MIPS(Million of Instructions Per Second, 每秒百萬個指令 ) 為單位, 來表示 CPU 每秒可執行多少百萬個指令 MIPS 值越高, 表示 CPU 執行的速度越快個人電腦常見的 CPU Intel 及 AMD 是生產個人電腦 CPU 的主要廠商, 他們生產的 CPU 已進步到有多個核心的處理器 ; 圖 4-4 為四核心 CPU 及其運作示意圖 60 註有少部分的原文書籍將指令週期 (instruction cycle) 稱為擷取週期 (fetch cycle)

運算核心 ( 包含控制單元算術 / 邏輯單元快取記憶體及暫存器 ) 1 3 4 2 第 4 章 8+

= 21 假設每 1 個核心在一時間內 ( 如機器週期 ) 只能進行 1 個運算, 單核心與 4

/ 4 = 1 1+6=7 8+5=13 4 核 2 * 4 =8 7-2 =5 4 / 4 =1 1 +

還有好多要算的圖 4-4 四核心 CPU 及運作示意圖我們可以從 CPU 的型號中, 瞭解 CPU

;Core 2 Duo 其核心數為雙核心此外, 根據資策會市場情報中心預測,2009

CPU 例如適用於超輕薄筆記型電腦的 Core 2 ULV 處理器適用於輕省筆電的 Atom 處理器 (

GIGABYTE) 輕省筆電圖 4-5 使用不同處理器的筆記型電腦註資料來源為資策會網站

4 運算核心 ( 包含控制單元算術 / 邏輯單元快取記憶體及暫存器 ) 第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 + (2*4)+(7-2)+(4/4)+(1+6) = 21 假設每 1 個核心在一時間內 ( 如機器週期 ) 只能進行 1 個運算, 單核心與 4 核心的運算時間比較如右 : 時間 C1 C2 C3 C4 C5 單核 2 * 4 =8 7-2 = 5 4 / 4 = 1 1+6=7 8+5=13 4 核 2 * 4 =8 7-2 =5 4 / 4 = = = = = 21 算完囉! 還有好多要算的圖 4-4 四核心 CPU 及運作示意圖我們可以從 CPU 的型號中, 瞭解 CPU 的核心數, 例如 Intel 公司生產的 CPU, 若其型號為 Core 2 Quad 其核心數為四核心 ;Core 2 Duo 其核心數為雙核心此外, 根據資策會市場情報中心預測,2009 年全球筆記型電腦銷售量將首度超過桌註上型電腦的佔比, 因此 CPU 廠商特別推出幾款適合筆記型電腦專用的 CPU 例如適用於超輕薄筆記型電腦的 Core 2 ULV 處理器適用於輕省筆電的 Atom 處理器 ( 圖 4-5) 使用 CULV 處理器使用 Atom 處理器 CULV 筆電 (courtesy of GIGABYTE) 輕省筆電圖 4-5 使用不同處理器的筆記型電腦註資料來源為資策會網站 ( 61

5 資訊科技概論多核心多 CPU vs. 多 CPU 若以廚房來比喻 CPU, 多核心 CPU 就像是一個廚房裡有多位廚師, 可同時烹煮多道菜, 烹煮速度自然比一個廚房裡只有 1 位廚師 ( 單核心 ) 來得快多 CPU 就像是有多個廚房, 每個廚房都有自己的出餐口可用來出餐, 而多核心 CPU 雖然可同時烹煮多道菜, 但由於廚房的出餐口多半只有 1 個, 煮好的菜必須依序送出, 所以多個廚房 ( 多 CPU) 出菜的速度理論上會比一個廚房 ( 多核心 ) 來得快市售個人電腦多半以多核心為主 ; 而伺服器專用機種則多半配有多個 CPU 如果電腦安裝有多顆 CPU, 且每顆 CPU 皆為多核心, 那麼運算效能就會更佳 CPU 的規格在購買 CPU 時, 我們應注意標示在產品包裝盒上的名稱速率及快取記憶體等主要規格的標示 ( 圖 4-6): 名稱製造廠商及產品型號速率 CPU 的工作頻率快取記憶體內建的快取記憶體容量圖 4-6 CPU 包裝盒上的規格標示名稱名稱是 CPU 的製造廠商及產品型號, 例如 Intel Core 2 Extreme Processor QX9650; 其中 Intel 代表廠商的名稱, 其餘的字元代表產品的型號快取記憶體容量目前市售的 CPU 通常都內建有 512KB ~ 12MB 的快取記憶體 62

6 第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 速率包裝盒上標示的速率是指 CPU 的工作頻率 (clock rate), 俗稱為內頻 (internal clock), 目前多半以 GHz(Giga Hertz, 十億次赫茲 ) 為單位以 3GHz 的 CPU 為例, 其內部的石英震盪器每秒會產生 30 億次的震盪 ( 圖 4-7), 每震盪一次所花用的時間約為 0.33 奈秒 ( 1 秒 ) 石英震盪器產生一次震盪所花用的時間稱為時脈週期 (clock cycle), 時脈週期越短, 即 CPU 的處理速度越快 1 秒內有 30 億次震盪 CPU 利用這一連串的電壓變化來改變其內部元件的電路狀態, 以進行資料運算及邏輯判斷等工作圖 4-7 3GHz 的 CPU 工作頻率示意圖內頻與外頻早期 CPU 的工作頻率並無內外頻之分但 CPU 運作速度不斷提昇, 週邊設備的速度卻無法跟上, 只好採用不同的工作頻率來運作內頻指的是 CPU 內部的工作頻率 ; 而外頻 (external clock) 指的是 CPU 與晶片組之間的資料傳輸頻率, 常見的外頻有 MHz 等內頻除以外頻所得的數值, 稱為倍頻係數 (clock multiplier factor) 影響 CPU 效能的因素 CPU 是電腦運作的核心, 影響其執行速率的因素, 主要有下列 3 項 : 工作頻率 CPU 的工作頻率是衡量電腦執行速率的主要指標, 通常 CPU 的工作頻率越高,CPU 在每一單位時間所能處理的指令數量就越多, 電腦執行速度也就越快字組的大小字組 (word) 是 CPU 一次能處理的資料量, 也就是資料匯流排的寬度, 單位為位元 (bit); 一般來說, 字組越大 CPU 的處理效能越好市售的 64 位元電腦, 即是指 CPU 的字組大小為 64 位元 63

記憶體資訊科技概論快取記憶體的大小快取記憶體是設計用來存放常被 CPU 使用的資料或指令, 容量越大,CPU 的執行效能通常越高 1. 一般衡量電腦執行速率, 主要是比較下列哪一個單元? (A) 輸入單元 (B) 輸出單元 (C) 記憶單元 (D) 中央處理單元 2. 下列哪一因素, 不會影響 CPU 的執行效能?

7 記憶體資訊科技概論快取記憶體的大小快取記憶體是設計用來存放常被 CPU 使用的資料或指令, 容量越大,CPU 的執行效能通常越高 1. 一般衡量電腦執行速率, 主要是比較下列哪一個單元? (A) 輸入單元 (B) 輸出單元 (C) 記憶單元 (D) 中央處理單元 2. 下列哪一因素, 不會影響 CPU 的執行效能? (A) 快取記憶體的大小 (B) 電壓 (C)CPU 的位元數 (D)CPU 的內頻 3. CPU 執行一個指令的過程稱為 (machine cycle) 4-2 主記憶體在日常生活中, 對於需要短暫記憶的事物 ( 如某個商品的價格 ) 通常會默記在大腦中, 對於需要長久記憶或大量的事物 ( 如全班同學的聯絡電話 ), 則通常會記錄在筆記本中電腦的記憶體是電腦存放程式和資料的地方, 可分為用來儲存暫時性資料的主記憶體 (main memory, 又稱內部記憶體 ), 與用來儲存長久性資料的輔助記憶體 (secondary memory, 又稱外部記憶體 ) 兩大類 ( 圖 4-8) 主記憶體輔助記憶體圖 4-8 記憶體的分類 RAM ROM 軟碟硬碟光碟隨身碟 DRAM SRAM CD DVD 藍光光碟 64

第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 主記憶體分為隨機存取記憶體 (Random Access Memory, RAM) 及唯讀記憶體 (Read Only Memory, ROM) 兩大類, 分別說明如下 ; 有關輔助記憶體的部分, 將在下一章介紹 4-2.

條狀的銅色金屬即為針腳 (Pin), 插入插槽後與主機板的相關電路連接 (courtesy of 旗標 ) 隨機存取記憶體依製作元件的電子特性, 又可分為動態隨機存取記憶體 (Dynamic RAM, DRAM) 及靜態隨機存取記憶體 (Static RAM, SRAM) 兩種 : DRAM: 必須持續充電更新, 儲存於其內的資料才不會消失,

8 第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 主記憶體分為隨機存取記憶體 (Random Access Memory, RAM) 及唯讀記憶體 (Read Only Memory, ROM) 兩大類, 分別說明如下 ; 有關輔助記憶體的部分, 將在下一章介紹隨機存取記憶體隨機存取記憶體用來儲存電腦正在執行中的程式和資料, 當電腦關機時, 這些資料就會隨著電源一起消失, 因此又稱為揮發性記憶體 (volatile memory) 市售的隨機存取記憶體大多製作成記憶體模組 (RAM module) 的型式 ( 圖 4-9) 筆記型電腦用一顆記憶體晶片桌上型電腦用圖 4-9 記憶體模組條狀的銅色金屬即為針腳 (Pin), 插入插槽後與主機板的相關電路連接 (courtesy of 旗標 ) 隨機存取記憶體依製作元件的電子特性, 又可分為動態隨機存取記憶體 (Dynamic RAM, DRAM) 及靜態隨機存取記憶體 (Static RAM, SRAM) 兩種 : DRAM: 必須持續充電更新, 儲存於其內的資料才不會消失, 所以被稱為動態隨機存取記憶體當我們在購買個人電腦時, 所看到的記憶體規格通常指的就是 DRAM 的規格 SRAM: 不需持續充電更新, 即可保存儲存於其內的資料, 所以被稱為靜態隨機存取記憶體此種記憶體的製作成本較高存取速度較快, 常被用來作為快取記憶體表 4-1 為 DRAM 與 SRAM 的比較表 4-1 DRAM vs. SRAM 項目 DRAM SRAM 是否需持續充電是否存取速度較慢較快價格便宜較貴 65

可由標籤上分辨出是 DDR2 或 DDR3 皆為 240 pins, 但缺口 ( 防呆 ) 位置不同 DDR 3 圖 4-10 記憶體模組表 4-2 DDR 2 vs. DDR 3 類別項目 DDR 2 DDR 3 傳輸速度 3.

2 唯讀記憶體唯讀記憶體是一種只能讀取而不能寫入資料的記憶體, 因儲存於其內的資料不會隨主機電源的關閉而消失, 又被稱為非揮發性記憶體 (nonvolatile memory); 此種記憶體通常用來存放永久性的程式或資料,

9 資訊科技概論 DDR 2 vs. DDR 3 DDR 3 是較新的 DRAM 記憶體模組 ( 圖 4-10), 它比上一代的 DDR 2 技術具運作效能高傳輸速度更快記憶容量更大耗電量卻更低等特色表 4-2 為 DDR 2 與 DDR 3 的比較表 DDR 2 可由標籤上分辨出是 DDR2 或 DDR3 皆為 240 pins, 但缺口 ( 防呆 ) 位置不同 DDR 3 圖 4-10 記憶體模組表 4-2 DDR 2 vs. DDR 3 類別項目 DDR 2 DDR 3 傳輸速度 3.2 GB/sec ~ 5.3 GB/sec 8.5 GB/sec ~ 12.8 GB/sec 單條記憶體容量 256 MB ~ 4 GB 1 GB ~ 16 GB 耗電量高低價格 (1GB) 便宜較貴唯讀記憶體唯讀記憶體是一種只能讀取而不能寫入資料的記憶體, 因儲存於其內的資料不會隨主機電源的關閉而消失, 又被稱為非揮發性記憶體 (nonvolatile memory); 此種記憶體通常用來存放永久性的程式或資料, 例如開機必備的啟動程式 ( BIOS) 等 ( 圖 4-11) - 韌體韌體 (firmware) 是指燒錄在 ROM 中的程式 ; 這些程式多半是電腦需經常使用的程式, 如 BIOS (courtesy of 旗標 ) 圖 4-11 BIOS 晶片為了改善唯讀記憶體無法寫入資料的限制, 電腦廠商研發出數種除了讀還可以寫的 ROM, 其中以快閃記憶體 (flash memory) 的使用最為廣泛, 此種記憶體是利用電流訊號來刪除或寫入資料, 常應用於智慧 IC 卡隨身碟記憶卡等產品上 ( 圖 4-12) 66

10 第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 智慧型手機 ( 內建有快閃記憶體 ) 隨身碟記憶卡 (courtesy of HTC) 圖 4-12 智慧型手機隨身碟記憶卡各類記憶體存取速度及容量比較不同記憶體的存取速度及容量有所不同, 如圖 4-13 所示速度快 CPU 小容量暫存器暫存器 L1 L2 L1 L2 L1 L2 L3 L3 L3 SRAM DRAM ROM 硬碟光碟 USB 裝置軟碟 ROM SRAM DRAM 軟碟 USB 裝置光碟硬碟註慢大圖 4-13 各類記憶體存取速度及容量比較註 USB 裝置的容量規格很多, 規格最小的比軟碟 (1.44MB) 大, 規格較大者可能大於光碟, 甚至硬碟 67

並以電容器是否儲存電量來表示二進位的資料 0 或 1 圖 4-14 為資料寫入記憶體的運作過程 1 step 傳送位址 CPU

會根據訊號來決定電容器是否應儲存電量資料匯流排 2 step 傳送資料 CPU 利用資料匯流排傳送要寫入的資料訊號, 例如圖中以綠色表示的

(A) 快閃記憶體 (B) 唯讀記憶體 (C) 靜態隨機存取記憶體 (D) 動態隨機存取記憶體 2.

11 資訊科技概論記憶體的讀寫原理記憶體是由許多記憶格 (memory cell) 所組成, 每個記憶格包含了一個電晶體和一個電容器, 並以電容器是否儲存電量來表示二進位的資料 0 或 1 圖 4-14 為資料寫入記憶體的運作過程 1 step 傳送位址 CPU 透過位址匯流排傳送位址訊號, 例如圖中以紅色表示的電晶體電容器位址匯流排 3 step 寫入資料當資料訊號抵達記憶格後, 會根據訊號來決定電容器是否應儲存電量資料匯流排 2 step 傳送資料 CPU 利用資料匯流排傳送要寫入的資料訊號, 例如圖中以綠色表示的註圖 4-14 資料寫入記憶體的示意圖 1. 下列記憶體類型中, 哪一種需要週期性充電? (A) 快閃記憶體 (B) 唯讀記憶體 (C) 靜態隨機存取記憶體 (D) 動態隨機存取記憶體 2. 下列何種記憶體, 具有可雙向讀寫, 以及電源關閉時資料仍保留的特性? (A)DRAM (B)SRAM (C)Flash Memory (D)ROM 3. 記憶體是電腦存放程式和資料的地方, 可以概分為用來儲存暫時性資料的與用來儲存長久性資料的兩大類 68 註此圖參考 Ron White "How Computers Work" QUE Publishing(p.120 ~ p.121)

第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 MENU 選擇題 1. 當我們覺得電腦的執行速度不夠快時, 下列哪一項作法可能無法改進電腦的執行速度? (A) 更換較快速率之 CPU (B) 增加記憶體 (C) 改用轉速較快之硬碟 (D) 加裝 Office 套裝軟體 2.

中央處理器 (CPU) 在處理指令時, 運作的先後步驟依序為 : (A) 擷取解碼儲存執行 (B) 解碼擷取執行儲存 (C) 擷取執行解碼儲存 (D) 擷取解碼執行儲存 4. 下列有關影響 CPU 執行效能的因素, 何者有誤?

BIOS(Basic Input/Output System) 是儲存在下列哪一種記憶體中? (A) 隨機存取記憶體 (B) 唯讀記憶體 (C) 輔助記憶體 (D) 快取記憶體 7. 下列哪一種記憶裝置, 其資料儲存容量最小, 但其資料存取速度最快?

12 第 4 章中央處理單元與主記憶體單元 2 MENU 選擇題 1. 當我們覺得電腦的執行速度不夠快時, 下列哪一項作法可能無法改進電腦的執行速度? (A) 更換較快速率之 CPU (B) 增加記憶體 (C) 改用轉速較快之硬碟 (D) 加裝 Office 套裝軟體 2. 學校電腦教室將全面更換電腦設備, 老師強調這些全新電腦設備, 都具有雙核心的技術, 請問雙核心是下列哪一種電腦元件所採用的技術? (A) 匯流排 (B) 快取記憶體 (C)CPU (D) 暫存器 3. 中央處理器 (CPU) 在處理指令時, 運作的先後步驟依序為 : (A) 擷取解碼儲存執行 (B) 解碼擷取執行儲存 (C) 擷取執行解碼儲存 (D) 擷取解碼執行儲存 4. 下列有關影響 CPU 執行效能的因素, 何者有誤? (A) 內頻越高的 CPU 執行速度越快 (B) 快取記憶體的容量會影響 CPU 的效能 (C)CPU 的核心數越多, 通常處理速度越快 (D)CPU 的位元數不會影響執行效能 5. 一般非硬碟型式的隨身碟採用何種記憶體? (A)DRAM (B)ROM (C)SRAM (D)Flash Memory 6. BIOS(Basic Input/Output System) 是儲存在下列哪一種記憶體中? (A) 隨機存取記憶體 (B) 唯讀記憶體 (C) 輔助記憶體 (D) 快取記憶體 7. 下列哪一種記憶裝置, 其資料儲存容量最小, 但其資料存取速度最快? (A) 隨機存取記憶體 (RAM) (B) 快取記憶體 (Cache Memory) (C) 暫存器 (Register) (D) 硬碟 (Hard Disk) 8. 有關電腦軟硬體知識的描述, 下列何者正確? (A)1GB = 1000MB (B)CPU 是作業系統, 可被視為電腦的心臟 (C)ROM 是唯讀記憶體, 只能讀取資料 (D)RAM 的存取速度比 ROM 慢 9. 下列關於 DRAM( 動態隨機存取記憶體 ) 與 SRAM( 靜態隨機存取記憶體 ) 的敘述, 何者正確? (A)DRAM 不需要充電 (B)DRAM 比 SRAM 貴 (C)SRAM 速度較 DRAM 速度快 (D)DRAM 是一種輔助記憶體 10. 快取記憶體 (Cache Memory) 的主要功能是 : (A) 作為輔助記憶體 (B) 可以降低主記憶體的成本 (C) 可以增進程式的整體執行速度 (D) 可以減少輔助記憶體的空間需求多元練習題 1. 高文看到王老師所使用的筆記型電腦上, 貼了一張如右圖所示的貼紙, 請問依貼紙上的標示文字可得知該台筆電的 CPU 是單核心雙核心, 還是四核心呢? 69

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05221EU05.indd 5 中央中央處理單元與主記憶體人類是萬物之靈, 主因在於我們有顆能思考計算記憶等的 " 大腦 " 電腦也有 " 大腦 "-CPU, 讓它也能榮登萬機 ( 機器 ) 之王寶座 CHPTER 第 5 章中央處理單元與主記憶體單元 2 5-1 中央處理單元 -CPU CPU 是電腦進行資料處理及運算的主要元件, 也是整部電腦運作的核心電腦處理速度的快慢, 關鍵就在於 CPU 的效能