Microsoft Word - CS-981.doc

Transcription

1 3. 電腦主要單元 3.1 中央處理器 (CPU) (1). 基本概念 簡介 CPU 的全名是 Central Processing Unit CPU 包含控制 (CU, Control Unit) 及算術 / 邏輯 (ALU, Arithmetic/Logic Unit) 單元 CPU 負責系統中資料的運算 ( 加 減 乘 除 ) 與邏輯判斷 (AND OR) 主要功能包含輸入 運算 輸出 (1) 對電腦的操作會轉成一連串的指令 (0 和 1 的組合 ) (2) 電腦進行處理 ( 在電腦中所有的資料 指令都是數字 ) (3) 轉成資料輸出 CPU 的種類繁 個人電腦有 x86 系列的 CPU AMD Mac 個人電腦以外的裝置 ( 如 PDA 行動電話... 等 ), 則大多採用非 x86 系列 CPU 晶片組 (Chips): 負責主機板上所有裝置 元件間溝通與控制的樞紐 (2). CPU 的工作原理 CPU 的構造 包含 Control Unit ALU Register 透過 Bus 來溝通 目前大部分 CPU 皆含有快取記憶體 (Cache Memory) ( 傳統 CPU 的結構並不包含快取記憶體 ) Word 表示 CPU 在一個指令週期所能處理的資料量 ( 例如 32 Bit 電腦 ) CU (Control Unit) 負責控制資料流和指令流 控制單元主要為讀取並解譯指令 將需要運算的資料送到算術 / 邏輯單元進行運算 運算完成的資料流或指令流, 送到輸出 / 輸入單元 ALU (Arithmetic/Logic Unit) 算術運算包含加 減 乘 除等運算 邏輯運算包含 AND OR NOT 等運算 Register 為 CPU 內部用來暫時存放資料的地方 Register 也可視為記憶體 ( 位於記憶體階層的最上層 ) 12

2 主要是為了配合 CPU 的高速運算而設置的 CPU 的暫存器有很多個, 依功能分別配置在控制單元及算術 / 邏輯單元中 (3). 暫存器 (Registers) 一般用途暫存器 (General Purpose Register):( 用來存放運算的資料 指令或位址 ) 資料暫存器 (Data Register): 資料暫存器即用來存放資料的地方 累加器 (Accumulator): 是用來存放運算過程及運算結果的資料 指令暫存器 (Instruction Register): 在控制單元內, 存放目前被執行的指令 程式計數器 (Program Counter): 記錄 CPU 下一個要執行指令所存放的位址 位址暫存器 (Address Register): 記錄資料存放在記憶體的位址 ( 指位器, Pointer): 堆疊暫存器 (Stack Register): 用來記錄堆疊最頂端位址的暫存器堆疊是一種單一出入口的資料結構體, 故必須後進先出 (LIFO, Last In First Out) 基底暫存器 ( Base Register): 使用基底定址法定址時所使用的暫存器定址法 (Addressing Mode) 為 CPU 尋找資料所在位置的方法 索引暫存器 (Index Register): 使用索引定址法定址時所使用的暫存器索引定址法是以固定之位址為基底, 再加上索引暫存器儲存的值得到資料位址 (4). 匯流排 (Bus) 基本觀念 各元件傳送資料的管道就是匯流排 (Bus) ( 傳送資料的管道, 是由許多不同的管道整合在一起的 ) 優點是管道 ( 電子線路 ) 容易安排, 也能確保所有元件都能互相傳送資料 內部匯流排 (Internal Bus):CPU 內部用來傳送資料的通道 (CU ALU Register 在讀取 存放資料時, 都是經過 Internal Bus) 系統匯流排 (System Bus/Processor System Bus):CPU 與主機板晶片組傳資料通道 資料匯流排 (data bus): 傳送指令或資料的管道 ( 雙向 ) 位址匯流排 (address bus):cpu 指定資料存取的位址 ( 單向 ) 控制匯流排 (control bus):cpu 傳送 CU 訊號的管道 ( 單向 ) 擴充匯流排 (Expansion Bus): 除 CPU 外, 各元件傳送資料的通道 (5). Cache Memory ( 快取記憶體 ) 基本觀念 CPU 主要利用 Register 來進行資料的存取和運算 Register 和 Memory 的速度差異很大 ( 造成 CPU 長時間閒置 ) Cache Memory 則位於 Register 和 Memory 間 架構 13

3 Cache Memory 位於 Memory 階層的第二層 Cache Memory 存放較常使用的指令或資料 CPU 讀取指令或資料時, 會先到 Cache 尋找, 若找不到時才會到 Memory 讀取 Level1 (L1) Cache > L2 Cache > L3 Cache 速度以 L1 快取最快, 接著依次是 L2 和 L3 3.2 CPU 的相關資訊 (1). Instruction Execution Execution Steps 載入程式時, 指令會放在記憶體中 CPU 讀取指令 控制單位進行解譯指令的工作 指令解譯完成後, 由 CU 或 ALU 執行指令 執行時期 CPU 使用暫存器來存放處理前及處理後的資料 CPU 執行指令的過程, 稱為 Machine Cycle 或 Instruction Cycle CU 從讀取指令到解譯完成的時間叫 Instruction Time ALU 從運算到運算完成並存入暫存器的時間, 為 Execution Time (2). Frequency CPU 的度量 MIPS: (1) 通常我們用 Instruction Cycle 來表示 CPU 的速度 (2) CPU 運算速度可表示為 MIPS (Millions of Instruction Per Second) MHz (1) CPU 的效能則以 CPU 運作的 時脈頻率 ( 工作時脈 ) 表示 (2) MHz ( 每秒百萬次 ); 如 Celeron 950 指其時脈頻率為 950 MHz GHz: 每秒十億次的速度 (Pentium 4 3.2G) CPU 時脈的計算方式 : 內頻 (Internal Clock):CPU 內部在工作時的頻率 (P4 2.8G 內頻即 2800 MHz) 外頻 (External Clock): 主機板提供給 CPU 的時脈頻率 倍頻係數 (Clock Multiplier Factor): 內頻 / 外頻 = 倍頻係數 ( 內和外頻相差倍數 ) 超頻 14

4 (3). Bandwidth 傳輸頻寬 (Bandwidth): 單位時間內可傳送 / 接收的資料量 (Bytes/Sec) 電腦上各元件之間會使用不同的傳輸頻寬 假設 P4 800 MHz 的資料寬度為 64 位元, 則傳輸資料頻寬為 : (4). Instruction Sets 基本觀念 Instruction Set 為一群指令的集合 指令集提供的服務是影響 CPU 效能的重要關鍵 相同指令, 需要不同執行週期 兩不同 CPU 執行相同的指令時, 單位時間執行較多指令數的 CPU 的效能較好 組合指令較慢 有些服務並非單一指令所提供, 而是由多道指令組合而成 此組合指令所需的執行週期比單一指令長 (5). CISC vs. RISC CISC (Complex Instruction Set Computer) ( 複雜指令集 ) CPU 內使用功能較多 較強的指令, 容易處理很複雜的指令 電路設計較為複雜 ( 成本較高 ) 也使得編譯器 (Compiler) 的撰寫也較為簡單 代表性的 CPU 即是 Intel x86 系列的 CPU 利用硬體的電路來完成較複雜運算, 以增加電腦的效能 ( 複雜的電路設計必須付出較大的成本 ) 複雜的電路設計會使指令週期變長 ( 即使處理較單純的指令, 效能仍然不佳 ) RISC (Reduced Instruction Set Computer) ( 精簡指令集 ) 使用少量且常用的, 且功能較簡單的基本指令, 來完成複雜的指令 指令功能較少, 但因指令較簡單, 故執行速度較快, 電路設計較容易 代表的是 IBM Motorola 與 Apple 共同開發 PowerPC 因指令功能較簡單, 電路設計精簡, 電晶體減少,CPU 指令週期縮短 (RISC 的執行效能遠勝 CISC) 相關議題 其實現在的 CPU 已經找不到純粹 CISC 或 RISC 設計了, 大多是兩種設計混合 15

5 CISC 和 RISC 各取優點 各自發展, 以達成提高效能的目標 (6). Multi-Core Hyper-Threading (H.T.) H.T. 是把 1 個實體 CPU 模擬成 2 顆 CPU ( 增加處理器運作效率 ) 雖然效能無法等同 2 顆真正的 CPU, 但仍可提高執行效率 Hyper Transport ( 超傳輸 ) 則是作為晶片與晶片之間的高速互連通道 多核心 雙核心是將兩個 CPU (core) 包裝在單一個 CPU 晶片上 其效能遠超過 H.T. 的方式 常見的雙核心 CPU 有 Intel Core 2 Duo 與 AMD Athlon X2 系列 四核心 CPU 的有 Intel Core 2 Quad 與 AMD Phenom 系列 64 位元和 32 位元 CPU 的區別 CPU 的位元數主要是指 CPU 一次能處理的字組 (Word) 大小 能處理多大的字組, 則是依暫存器的大小而定 8086 CPU 一個指令週期可以處理一個 16 Bits 的 Word (16 bit CPU) HP 最早推出 IA-64,IA-64 完全不能向下相容 IA-32 ( 即 x86 的 32 位元 CPU) AMD 把 x86 架構擴充成 64 位元的 AMD64, 可執行 64 或 32 位元作業系統 (7). 其他的 CPU 可能會用到 CPU 的設備 PDA 行動電話 各種網路設備 (IP 分享器 路由器 ) 也都需要使用 CPU Power 系列處理器 是由 IBM 公司設計的處理器 (Performance Optimized With Enhanced RISC) Power 處理器多使用於 IBM 的大型電腦 超級電腦 伺服器 工作站 IBM 與 Apple 及 Motorola 合作成立了 AIM, 發展 PowerPC (Macintosh 電腦 ) MIPS 架構處理器 (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) MIPS 架構最初是由美國史丹佛大學的研究團隊所設計出來的 其概念是利用簡單的硬體架構, 加上強大的編譯器, 以達到高效能的輸出 ARM (Advanced RISC Machines) 與 XScale ARM 是以 RISC 架構為基礎設計出來的目前手持裝置和嵌入式系統的市場中, 以 ARM 處理器佔有率最高 ( 如 ipod) Intel 以 StrongARM 架構為基礎, 設計 XScale 架構處理器 ( 如 PDA 中常見的 PXA 系列處理器 ) Multi-Core 的架構 16

6 3.3 記憶單元 (Memory) (1). 記憶單元基本觀念 記憶單元為電腦存放程式與資料的地方, 主要分為主記憶體與輔助記憶體 主記憶體 包含隨機存取記憶體 RAM (Random Access Memory) 與唯讀記憶體 ROM (Read Only Memory) 主記憶體為 CPU 的工作地點, 程式與資料須先載到 RAM 中, 才可處理 輔助記憶體 RAM 須依靠電力才能維持資料, 關機之後所有資料便會消失, 而輔助記憶體則可永久儲存 輔助記憶體的速度遠低於主記憶體 ( 如磁碟機 光碟機 記憶卡等 ) 虛擬記憶體 (Virtual Memory) 主要為了解決記憶體不足的問題 作法是將輔助記憶體 ( 如硬碟 ) 部分空間拿來模擬成主記憶體 作業系統會將主記憶體中暫時不用的資料先搬到虛擬記憶體, 挪出空間 大部分作業系統 (Windows Linux Solaris Mac OS) 皆具備虛擬記憶體功能 (2). RAM 簡介 可以隨機讀寫資料, 用來暫時儲存資料的元件 依特性可分為 DRAM (Dynamic RAM) 與 SRAM (Static RAM) DRAM 資料只能保存 2~4 ms, 如果超過時間沒有對 DRAM 充電, 資料便會消失 電腦大多用 DRAM 為主記憶體, 可視為主記憶體 ( 價格較 SRAM 為低 ) 常見 DRAM 有 SDRAM (Synchronous Dynamic) RDAM (Rambus Dynamic) Rambus Dynamic Random Access Memory (RDRAM) is a memory subsystem that promises to transfer up to 1.6 billion bytes per second. The subsystem consists of the random access memory, the RAM controller, and the bus (path) connecting RAM to the microprocessor and devices in the computer that use it. Direct Rambus (DRDRAM), a technology developed and licensed by the Rambus Corporation, will be used with microprocessors beginning in High-speed RAM is expected to accelerate the growth of visually intensive interfaces such as 3-D, interactive games, and streaming multimedia. Rambus is intended to replace the current main memory technology of dynamic random access memory (DRAM). SRAM 17

7 使用特殊電子元件, 不需反覆充電來保存資料, 但電力消失後, 資料一樣消失 SRAM 速度較快, 但價格較高 DDR (Double Date Rate): DDR 是指在相同時間下, 可存取雙倍的資料量 (DDR 所需電壓負荷也較小 ) DDR SDRAM 及 DDR2 SDRAM 是目前主流 DRAM DDR2 的傳輸速度是 DDR 的 2 倍 (DDR3 速度則是 DDR2 的 2 倍 ) (3). ROM (Read Only Memory) 簡介 在製造過程中已將資料存於其中, 出廠後只具備讀取資料的功能 ROM 裡面的資料可永久保存, 不受電源影響 PROM (Programmable ROM) 為改良 ROM 無法寫入資料的缺點 PROM 可使用特殊的裝置寫入資料, 但只能寫入一次 EPROM (Erasable Programmable ROM) 一樣可以寫入資料, 而且能以紫外線刪除資料 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) 是由 EPROM 改良而來, 可使用電壓來抹除與寫入資料, 可在電腦內直接重寫 Flash Memory 與 EEPROM 一樣可在電腦內使用電壓刪除與寫入資料 (4). Hard Disk Drive 簡介 硬碟機具備容量超大 存取速度快 單位成本低廉的優點 ( 重要的輔助記憶體 ) 分為 3.5 吋與 2.5 吋兩種 ( 內部圓形碟片 ), 內部是多個磁盤利用轉軸串起組成 HD 結構 Side and Head: 每個磁盤都會有兩個面, 一般兩面都會存放資料, 每面各有一個 Head Track: 磁盤上 ( 外往內 ) 劃分為很多不同直徑的同心圓, 每個同心圓就是一個磁軌 Sector: 每一個 Track 再劃分固定大小的區段, 稱為磁區 ( 每個磁區為 512 Bytes) Cylinder: Heads 同時存取不同磁盤上相同位置的磁軌, 此空心圓柱體稱為磁柱 HD 定址模式 早期硬碟用 CHS(Cylinder-Head-Sector) 模式, 磁柱 # + Head# + Sec# 18

8 CHS 使用實體位置定址的方式 為 MBR (Master Boot Record) 磁區, 儲存開機戴入程式與 Partition Table 估算硬碟的容量大小 : CHS 63/16/665 = sec 512 Bytes = LBA (Logical Block Addressing) 不同, LBA 使用邏輯的方式來為磁區設定位址 採用 LBA 模式的硬碟, 可視情況提供一個轉換過的邏輯 CHS 位址給系統故 CHS 中的 Head = 16, 並不一定表示真的有 16 Head HD 計算容量的單位為 1000 ( 與採用 1024 不同 ) HD 連接介面 IDE: 個人電腦連接儲存裝置 ( 如硬碟機 光碟機 ) 的標準界面 SATA 是從傳統 IDE 介面改良而來, 傳輸速率快 低電壓 ( 省電 ) 支援熱拔插 SCSI 大多是高階硬碟機與電腦主機所使用的介面 HD 轉速 是硬碟馬達旋轉的速度, 單位為 RPM (Rotations Per Minute) Buffer (cache) 硬碟電路中的一塊記憶體區域, 介於硬碟與傳輸通道間 硬碟介面傳輸資料的速度比硬碟本身讀取資料的速度快 緩衝區越大, 所儲存的資料愈多, 便能有效提升資料傳輸效率 ( 目前的硬碟緩衝區容量多為 8 或 6 MB) S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) 自我監測分析報告技術, 目的在於提供硬碟資料可靠性的一種預警系統 (5). DISK array 簡介 RAID (Redundant Array of Independent Disks) 是將多個 HD 組成一邏輯虛擬硬碟 其資料會分別儲存在不同的硬碟上 磁碟陣列誕生的主要目的在於 效率 與 安全 類型 RAID 0: 將資料分成大小相同的區塊, 分別儲存到不同的硬碟中 RAID 1: 將同一份資料同時儲存到每一個硬碟 19

9 RAID 5: (1) 將資料的區塊分別儲存到不同的硬碟中, 保留一部份空間儲存檢查碼 (2) 而且檢查碼會平均分散於各硬碟 (6). 其他儲存裝置 行動硬碟 可隨身攜帶 輕巧方便 帶著就走的硬碟機 如同超大容量的隨身碟, 適合需要經常攜帶大量資料 SSD (Solid State Disk, 固態 ) 是使用快閃記憶體來儲存資料 無需馬達 讀寫頭等機械裝備 Floppy 使用 Disk 儲存資料 ( 可以抽換 ) 為 5.25 吋及 3.5 吋兩種 記憶卡 利用 Flash Memory 製作而成的 體積小 重量輕 攜帶方便 讀取方式 (1) 透過電子裝置 (2) 使用讀卡機 隨身碟 是指可隨身攜帶的磁碟機, 與記憶卡相同 內部也是使用 Flash Memory 儲存資料 (7). CD-ROM (CD-R/ CD-RW) 行動硬碟 CD 是目前儲存資料 影音, 並提供內容交換的重要媒介 而 CD-R 是讀取 CD 的裝置,CD-R 則是製作 CD 的設備 CD 可存約 650~700 MB 資料 DVD (Digital Versatile Disc) DVD 可存約 4.7~17 GB 資料 Red-ray Disc ROM ( 紅光雷射 ) CD/DVD 採用的雷射為波長 780 nm ( 奈米, 10-9 m) 與 650 nm 的紅色可見光 Blu-ray Disc ROM (BD-ROM) BD-ROM 則改用波長更短 頻率更高的藍光雷射 焦點面積只有紅光雷射的 19% 20

10 3.4 輸出入單元 (1). 連接埠 連接埠可視為插孔或插座, 用來連接各項設備 在個人電腦主機背面, 有一排連接埠 連接埠 PS/2: 針對鍵盤與滑鼠所設計的 Serial Port (COM Port):COM1/COM2, 連接滑鼠 手寫板或數據機 Parallel Port):LPT (Line Printing Terminal), 可連接印表機 ZIP disk scanner 音效裝置插孔 : 連接耳機 喇叭或麥克風 USB (Universal Serial Bus): 可連接大多數的週邊設備 USB 的優點 : 傳輸速率比其他連接埠更快 可以串接 127 項裝置 支援熱插拔 (2). Keyboard Keyboard 為鍵盤接受資料最基本的輸入設備 目前也改用 USB 類別 機械式鍵盤 :( 期 ) 鍵盤的按鍵內有金屬片, 按下時會有敲打聲 薄膜式鍵盤 : 為常用的鍵盤, 下方有塑膠薄膜, 具備防水效果, 使用較為安靜 (3). Mouse / Trackball Mouse / Trackball 為圖形操作介面的重要工具 可藉由其在螢幕上點選 拉曳等動作, 來完成選取 複製 啟動或關閉程式 種類 光學滑鼠 : 因感應器是利用光線反射來感測, 在透光或反光材質上無法操作 滾輪滑鼠 : 因為長時間與桌面接觸會將棉絮或灰塵捲入滑鼠內部 軌跡球 使用時不需移動手掌 21

11 可減少手腕與手肘的疲勞 觸控版 (touch pad) 觸控桿 (pointing stick) 手寫板 可用在電腦上繪圖 是美工人員主要的輸入設備 (4). Digital Camera (DC) / Digital Video Camera (DV) DC 目前已經取代傳統相機, 成為拍照主要工具 DV 也是常用的攝影工具 視訊攝影機 (Webcam) 則提供線上會議 網路交談時的重要工具 像素 (Pixel) 數位相機的解析度是以 Pixel 來決定 高像素的照片輸出成大尺寸的照片時比較不會產生影像模糊的現象 (1) 一般相片的解析度約 300 dpi (1) 4 x 6 的相片則要 4*300 x 6*300 = 1200 x 1800 = DV 傳統攝影機使用類比的方式記錄影片 ( 電腦編輯時須先使用擷取卡轉為數位 ) DV 將影片儲存在微型硬碟 DVD 光碟或記憶卡中 可透過 USB 2.0 或 IEEE 1394 傳入電腦 Webcam ( 視訊攝影機 ) 視訊攝影機本身並不具備儲存的功能 ( 解析度較低, 不適合用來保存畫面 ) 視訊攝影機也可做為監視系統之用 ( 較方便 ) (5). Scanner 藉由光學掃瞄將圖片或文字稿件轉換為數位影像 分為平台型 掌上型 饋紙型之別 應用於 OCR (Optical Character Recognition (6). Monitor 種類 CRT: 在後方會有體積龐大的映像管 LCD:LCD (Liquid Crystal Display) 螢幕 液晶晶格 來顯示畫面 ( 輕 薄 短 ) 但是 CRT 色彩犀利度 飽和度與細膩度等畫質仍較 LCD 顯示器佳 22

12 尺寸 及 24 吋 ( 以對角線的長度 ) 寬螢幕 : 傳統 4:3, 目前則有 16:10 寬螢幕 LCD ( 寬高比接近黃金比例 1.618:1) 電影拍攝影片寬高比為 1.85:1 (1) 寬螢幕 16:10 = 1.6:1 (2) 傳統 4:3 = 1.33:1 解析度 畫面可呈現細節部分的清晰度, 如 1024x768 ( 水平有 1024 像素, 垂直有 768) 顯示器與顯示卡所能顯示的最大解析度皆不相同 ( 須同時考量這兩設備顯示 ) 可視角度 可視角度 (Viewing Angle) 表使用者可清楚瀏覽畫面的範圍寬窄 如 CRT 可視角度為 180 度,LCD 多在 140 ~ 170 度之間 HDMI (High Definition Multimedia Interface, 高解析多媒體傳輸介面 ) 只需要一條傳輸纜線即可完成安裝, 主要使用在影音家電上, 以取代類比端子 (7). Printer 用來文字或圖像輸出至紙張或其他媒體上 點陣印表機 印表機印表頭上有數根撞針, 經由電腦的控制撞擊色帶印出字來 列印時會產生噪音, 而且列印品質極差 複寫功能是噴墨或雷射印表機所無法取代的 ( 三聯複寫發票或簽收單據 ) 噴墨印表機 印表機的印字頭上有數個墨水噴頭, 以加壓的方式將墨點噴打在印表紙上 價位便宜 列印速度快 低噪音 可列印彩色文件等優點 雷射印表機 將要列印出來的墨點記錄在光傳導體的滾筒上, 經雷射光照射過的位置吸住碳粉, 再將附著的碳粉轉印到紙張上 文件列印品質 速度 與低噪音的表現, 均較其他兩種印表機優異 印表機的解析度 列印的品質, 計量解析度的單位為 dpi (dot per inch, 每一英吋可列印的點數 ) 會以 " 水平 x 垂直 " 的方式標示, 例 "600 dpi x 600 dpi" 列印速度 速度單位為 ppm (page per minute) 23

13 不同解析度下, 列印的速度也有所差異 墨水匣與碳粉匣 一般墨水匣內包含 CMYK ( 青 洋紅 黃 黑 ) 4 種顏色 墨水匣的各種顏色分離 將噴嘴內建於墨水匣上 碳粉匣 / 可列印張數來計算每張紙列印成本時, 雷射印表機的成本會比較低 (8). 喇叭與音效卡 輸出電腦音效的裝置 目前音效卡 / 主機板大多已經依照 PC99 的規格 ( 不同的顏色 ) 24