Microsoft PowerPoint - 00 電腦的運作原理.ppt

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昆来浦
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1 電腦的基本運作原理丁培毅速成版 / 概念版

2 功能與速度日勝一日的電腦手機車用電腦, 導航機筆記型電腦個人電腦網路伺服器雲端運算系統超級電腦 2/45

3 無遠弗界的通訊數據網路網際網路 3G, 3.5G, 3.75G, 4G 網路無線網路 (WiMAX, WiFi, Bluetooth) 物聯網 3/45

4 數位化的資料表示方式需要先以適當的方法表示資料, 電腦才能快速地大量地處理資料記錄資料資料包括數字 :, -23, -2.45, , 2, 文字 : a,y,z,b,r,%,#,,,č,, 中, あ, 위, 顏色 : 圖片 : 照片 : 4/45

5 資料表示 (cont d) 視訊 : 聲音 : 5/45

6 電腦硬體如何表示與磁性物質 : 磁極方向, 磁片, 磁碟, 磁帶光學物質 : 反射 / 透射, CD/DVD/BlueRay 電位差 : 有 / 無, 電容, DRAM 電流 : 有 / 無, 方向, 電流開關量子現象 : 量子井中是否有電子, NAND flash, SSD, 記憶卡電腦為何要運用 - 二進位方式表示所有資料? 6/45

7 資料表示 (cont d) 數字 : 十進位系統 ( 我們每天在使用 ) 使用的符號 :,, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, +, 整數 : 2345 = 負數 : 5432 小數 : 2.34 = 二進位系統 ( 電腦硬體在使用的 ) 使用的符號 :, 整數 : = = (3) 負數 : ( +) 2 = ( ) (5 位數, 二的補數表示法 ) 小數 :. = = (3.25) ( 定點表示法 ) 7/45

8 二進位與十進位的轉換 (.) 2 ( ) = ( ) ( ) (.) /45

9 二的補數表示法表示負數 : 以 4 個位元為例正整數 B 的二進位表示法 B 的十進位數值 b 3 b 2 b b, b 3 = b b 2 + b e.g. 3 二的進十位進對位應值四補位數元表二示的法二的的十補進數位對應 B 的二的補數表示法等效的十進位數值 2 4 (b b 2 + b ) 6-3= B 的二的補數表示法 c 3 c 2 c c, c 3 = 2 4 (b b 2 + b ) = c c 2 + c 目的 : 使用加法的硬體來完成減法 a 2 a a b 2 b b = a 2 a a + ( b 2 b b ) = a 2 a a + c 2 c c = (a a 2 + a ) + (2 4 (b b 2 + b )) 8-8 9/45

10 二進位資料的運算加法 ( 減法 ) (+88) + (+25) (+3) 溢位 (Overflow) 8-bit Signed number addition (+72) + (+57) (+29) AND/OR/XOR (A) (B) (A AND B) (A OR B) (A XOR B) 反向溢位 (Underflow) 8-bit Signed number addition (-27) + ( -6) (-33) /45

11 二進位的浮點表示法科學記號十進位二進位. 2 4 IEEE 754 Single Precision 正負號指數小數 4. /45

12 十六進位一長串的二進位數字人很難快速正確地記錄下來, 例如 : ( ) 2 用十進位來表示會比較容易, 例如 : (27929) 可是和二進位之間的轉換比較沒那麼直覺用十六進位的話轉換和記錄都沒有問題 : (6D9) 6 Binary Dec Hex Binary Dec Hex Binary Dec Hex Binary Dec Hex C D A 4 E B 5 F 2/45

13 文字的表示方法 ASCII 內碼表 NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI DLE DCL DC2 DC3 2 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS 3 RS US SP! " # $ % & ' 4 ( ) * +, -. / : ; 6 < = A B C D E 7 F G H I J K L M N O 8 P Q R S T U V W X Y 9 Z [ \ ] ^ _ ` a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w 2 x y z { } ~ DEL 3/45

14 文字的表示方法 (cont d) Big5 中文編碼方式 : 雙位元組,35 繁體字例如 : 中文字 A4A4 A4E5 A672 GB 簡體中文編碼方式 : 雙位元組,6763 簡體字例如 : 中文字 D6D CEC4 D7D6 Unicode 編碼方式 : UTF-8, UTF-6 例如 UTF-8: 中文字 E4B8AD E69687 E5AD97 UTF-6: 中文字 2D4E B 4/45

15 色彩, 圖片, 影像, 與視訊色彩 : 三原色 : 紅, 綠, 藍每一個顏色用一個到 255 的整數表示其光線強度圖片影像 : 以點陣圖 ( 矩陣 ) 的方式記錄每一個點的顏色視訊 : 基本上可以看成是一連串的圖片 5/45

16 聲音以數字週期性的記錄聲音訊號裡振幅的變化取樣週期取決於聲音內容的頻寬, 越高頻的聲音需要比較短的取樣週期以避免失真 /45

17 電晶體 (transistor) 如何運作? 手動開關手動控制斷路 / 通路電子開關數位電路中運作在飽和區的金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 以接在 Gate 上的電壓控制斷路 / 通路 7/45

18 8/45 電晶體邏輯閘 NOT 邏輯閘 NAND 邏輯閘 X X V cc X X AND 邏輯閘 Z Y X Z Y X X X X Y Z X Y Z V cc X Z Y X Z Y V cc Z

19 9/45 邏輯閘 (cont d) OR 邏輯閘 Z Y X V cc X Z Y Z NOR 邏輯閘 XOR 邏輯閘 V cc X Z Y Z Y X Z X Y Z X Y Z X Y Z Y X Z XY XY X Y XY XY XYY XXY X Y Z A = A A + B = A B A B = AB B

20 2/45 加法電路將位元 A 與位元 B 相加 C(arry) S(um) B A Half Adder S C A B AB C B A AB AB S A B Sum Carry A Sum Carry B A B C S + + +

21 加法電路 (cont d) + B 將位元 A 與位元 B 相加, C out S 並且加上右邊位元和的 A B C 進位 C in A B S(um) C out in S S Cin A B C AB C (A B) out in H.A. C out Full Adder S H.A. C in A B C in C in A C out 2/45

22 加法電路 (cont d) 使用 NAND 邏輯閘設計的等效電路 A S B C in C out 將兩個四位元數字 a 3 a 2 a a 與 b 3 b 2 b b 相加得到四位元數字 s 3 s 2 s s 及進位位元 c 4 a 3 b 3 a 2 b 2 a b a b c 4 Full Adder c 3 Full Adder c 2 Full Adder c Full Adder c = s 3 s 2 s s 22/45

23 減法 b 3 b 2 b b Subtract a 3 a 2 a a A B A B A B A B c 4 C out Full Adder C in C out Full Adder C in C out Full Adder C in C out Full Adder C in S S S S s 3 s 2 s s A B = A + (-B) 計算 B 的二的補數 (2 s complement) 即為 -B 用加法電路把 A 和 -B 兩個數字加總起來 23/45

24 加法電路 (cont d) CMOS Full Adder 24/45

25 Intel Core i7-86 Lynnfield CPU Quad-core Codename Lynnfield 45nm Nehalem micro-architecture, 29 25/45

26 Moore s Law size Silicon atom diameter =.234 nm nm 25 7nm 5nm 3nm 26/45

27 基本的電腦模型處理器 (Central Processing Unit, Microprocessor) data Register Register Arithmetic & Logic Unit address Input/ Output clock Register 5 Control Unit & Instruction Register Program Counter Main Memory 主記憶體 27/45

28 Stored Program von Neumann Architecture 28/45

29 29/45

30 匯流排 ( 位址, 資料, 與控制 ) Data bus Address bus Control bus CPU RAM I/O 3/45

31 3/45

32 指令執行週期 (Instruction Cycles) control unit decode arithmetic / logic execute unit Parallel processing with pipeline RAM fetch (store) pipe pipe2 fetch execute decode execute fetch fetch decode execute A 3 GHz CPU has 3 9 clock cycles per second pipe3 decode execute fetch decode Each phase might take a few clock cycles clock cycle clock cycle2 clock cycle3 clock cycle4 32/45

33 CPU 執行的三大類指令資料移轉 (Data transfer instructions): e.g. mov, xchg, store, load between registers and memories (I/O) 算術運算 (Arithmetic instructions): e.g. add, sub, inc, dec, mul, imul, div, idiv 邏輯運算及程式流程控制 (Logical and program control instructions): e.g. and, or, xor, not, jmp, call, je, jne, jnc, jno, loop, ret, 33/45

34 CPU 執行 R 指令 Program Counter 記錄目前 CPU 執行到的指令的記憶體位址由記憶體中將 R 指令取出置於 Instruction Register 指令中的記憶體位址 AF 為資料搬移指令 mov 的資料目的地指令中的 R 為資料搬移指令 mov 的資料來源透過資料匯流排搬移資料 data Register Register Arithmetic & Logic Unit address Input/ Output Register 5 Control Unit & Instruction Register Program Counter Main Memory 主記憶體 34/45

35 CPU 執行 add R, R 指令 Program Counter 記錄目前 CPU 執行到的指令的記憶體位址由記憶體中將 add R, R 指令取出置於 Instruction Register 指定加法線路由 R 及 R 取得輸入資料將 R + R 的結果放回 R data Register Register + Arithmetic & Logic Unit address Input/ Output Register 5 Control Unit & Instruction Register Program Counter Main Memory 主記憶體 35/45

36 CPU 執行指令 Program Counter 記錄目前 CPU 執行到的指令的記憶體位址由記憶體中將指令取出置於 Instruction Register 將 B 由 Instruction Register 中移入 Program Counter data Register Register Arithmetic & Logic Unit address Input/ Output Register 5 Control Unit & Instruction Register Program Counter Main Memory 主記憶體 36/45

37 Leaps in Technology 3bit NAND flash MLC, electrons in 2nm width quantum well 37/45

38 Leaps in Technology A 982 Osborne Executive portable computer, with a Zilog Z8 4MHz CPU vs. a 27 Apple iphone with a 42MHz ARM CPU weighs times, 5 times volume, cost times, and /th clock rate 38/45

39 Early Computers Enigma Cipher, 94 - Alan Turing s Bombe, 94 Colossus Mark II, /45

40 Early Computers (cont d) NASA guidance computers Apollo 4 Guidance Computer, 968 Gemini Guidance Computer, 965 4/45

41 Early Computers (cont d) Main Frames ENIAC accumulators, 942 UNIVAC, 95 IBM System/36, 964 4/45

42 Early Computers (cont d) Mini-computers VAX-/78, 977 PDP-, 97 42/45

43 Early Computers (cont d) IBM PC-XT, 98 Apple II, 977 Personal computers Lisa, 983 Macintosh, /45

44 Early Computers (cont d) Workstations Next Cube, 99 Sun Sparc, 99 SGI Octane, 997 IBM RS/6, 99 44/45

45 Nowadays Top Computers Super-Computers Climate change computing NASA s SGI Cray Super-computers D-Wave Quantum computers Google and NASA 45/45

Microsoft Word - 最新正文.doc

Microsoft Word - 最新正文.doc 9 21 1.1.1 1.1.2 1 2 2 Windows 7+Office 2010 3 4 5 6 4 7 1.1.3 5 1.1.4 1 3 2 NII 1993 3 CNNIC 2014 1 16 33 1 2013 12 6.18 5358 45.8% 2012 3.7 2 2013 12 5 19.1% 2012 74.5% 81.0% 2013 3G 2013 12 2.47 2012