11.1 電腦系統的部件 系統組 電源供應器 存貯設備 主機板 周邊設備 11.1 電腦系統的部件 系統組 系統組是電腦中被稱為主機的部分, 它包括電路板 電源供應器和存貯設備 數碼多用途唯讀光碟機 顯示卡 軟磁碟機 中央處理器 電源供應器 主機板 硬碟機 主記憶體 1 系統組 2 11.1 電腦系統的部件 主機板 桌上電腦 系統組的主電路板稱為主機板或母板 主機板上還有連接電腦和部件的電路系統 11.1 電腦系統的部件 周邊設備 與系統組連接的硬件稱為周邊設備 顯示器 掃描器 寬頻解調器揚聲器 滑鼠 鍵盤 數碼視像攝錄機 通用串行總線 (USB) 快閃儲存器 3 周邊設備 打印機 麥克風 4
甚麼是中央處理器? 中央處理器 (CPU) 像電腦的 大腦 其主要的工作是執行電腦程序的指令 處理數據以完成指定的工作 中央處理器處理數據的能力決定了電腦的整體性能 大部分的設備都須要通過中央處理器來完成工作 中央處理器透過總線 (bus) 與電腦內的其他設備通訊 甚麼是中央處理器? 中央處理器的角色 5 6 主要部件 算術及邏輯運算部件 (ALU) 控制部件 (CU) 寄存器 (Register) 算術及邏輯運算部件 (ALU) 執行算術和邏輯運算 在運算時, 算術及邏輯運算部件會使用寄存器暫存數據 計算結果一般貯存在稱為累加器 (ACCumulator) 的寄存器內 + - OR AND X NOT 7 8
控制部件 (CU) 追蹤待執行的指令 監控和協調所有輸入 / 輸出運作和系統組 寄存器 寄存器是在中央處理器內的記憶體單位 能為算術及邏輯運算部件和控制部件提供存貯空間 寄存器的數量較少 但它們是為中央處理器提供數據存取的最快方法 三種寄存器 : 通用寄存器 (general purpose register GPR) 控制寄存器 (control register) 狀態寄存器 (status register SR) 算術及邏輯運算部件和控制部件聯合執行加法指令 9 10 通用寄存器 匯編指令和機器碼大多使用通用寄存器 (GPR) 通用寄存器的例子包括 : 累加器 (AX) 基位址寄存器 (BX) 計數器 (CX) 數據寄存器 (DX) 通用寄存器 顯示通用寄存器的功能 功能 把數據由主記憶體載入至寄存器中 在算術運算過程中暫時把數據貯存 指令 匯編指令的例子解釋 LOAD AX, 8 在寄存器 AX 中貯存數值 8 ADD BX, CX 把貯存在 CX 的數值加至 BX 的數值中, 並把它們的總和貯存在 BX 中 把數據由寄存器載入至主 STORE ANS, 把寄存器 AX 的數據貯存在主記 記憶體中 AX 憶體的位址變量 ANS 中 11 12
控制寄存器 控制寄存器 為控制部件提供臨時的記憶體來控制指令的操作 主要的控制寄存器 : 指令寄存器 (IR) 程序計數器 (PC) 6. MDR 內的指令被載入 IR 以執行程序 記憶體位址寄存器 (MAR) 記憶體數據寄存器 (MDR) 指令寄存器 (IR) 包含中央處理器所執行的指令 程序計數器 (PC = Program Counter) 包含即將執行的下一個指令的記憶體位址 記憶體位址寄存器 (MAR) 和記憶體數據寄存器 (MDR) 是可透過系統總線以協助中央處理器和主記憶體之間的通訊的寄存器 MAR 保留將送出或接收的數據的記憶體位址 MDR 則包含從 MAR 所指定的位址寫入或讀取的數據 13 程序指令的執行過程 1. 控制部件發出指令, 以載入下一個指令 2. 控制部件透過控制總線傳送一個 READ 控制信號至主記憶體 3. PC 複製所需指令的位址至 MAR 5. 主記體透過數據總線把已編址的數據傳送至 MDR 4. MAR 透過位址總線把位址傳送至主記憶體 14 狀態寄存器 包含多個在執行指令時顯示狀態的標記位的寄存器 應用於條件測試和程序分支的指令 CPU 8088 的狀態寄存器中的重要標記 O S Z P C 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 零標記 (Z) 若所求出的結果為 0 時, 設定為 1: 否則設定為 0 符號標記 (S) 若所求出的結果為負數時, 設定為 1 : 否則設定為 0 奇偶標記 (P) 若所求出的結果為奇數檢查位時, 設定為 1 進位標記 (C) 若所求出的結果包含進位時, 設定為 1 : 否則設定為 0 溢出標記 (O) 若所求出的結果為溢出時, 設定為 1 ( 即是, 結果的數值過大, 未能貯存於記憶體單元中 ) 15 系統總線 (bus) 亦稱總線 是連接電腦系統中不同部件的佈線 中央處理器 主記憶體 輔助存貯設備和各周邊設備之間的數據可通過系統總線傳輸 總線種類 數據總線 (data bus) 位址總線 (address bus) 控制總線 (control bus) 傳輸數據和指令 功能 傳輸數據的來源位址和目的地位址 數據總線 位址總線和控制總線的功能 指示數據傳輸的方向及協調數據傳輸的時序 16
系統總線 總線的大小 = 總線寬度 總線寬度決定了每次可以傳輸的數據的位元數目 系統總線 系統總線 系統總線 17 系統總線把電腦內的不同部件互相連接 18 11.3 機器周期 系統總線 機器周期 中央處理器執行一個指令的過程 中央處理器的型號 Intel 8088 Intel 80286 Intel 80486 Pentium Intel Core 2 Duo 不同中央處理器的總線寬度 總線寬度 8 位元 16 位元 32 位元 64 位元 64 位元 子循環 描述 讀取從主記憶體讀取下一指令至指令寄存器 (IR) 解碼 執行 機器周期的子循環 識別指令中的操作碼和操作數 識別操作碼, 並執行所需的操作 19 20
11.3 機器周期 機器周期 11.3 機器周期 機器周期 中斷子循環 在執行指令的最後階段, 中央處理器會偵測是否有中斷發生 一個機器周期的過程 執行指令的最後階段 如果需要處理中斷 1. 中央處理器會儲存現行的過程狀態 2. 立即處理中斷 中斷已處理 中央處理器會繼續現行過程的下一個指令的運作 21 22 11.4 量度中央處理器的速度 時鐘頻率 量度中央處理器的速度 常用單位 : 百萬赫茲 (MHz) 或十億赫茲 (GHz) 一個赫茲 (Hz) 是指每秒一個時鐘周期 中央處理器的型號生產年份常見的時鐘頻率一個時鐘周期的時間 Intel 8088 1979 1982 4.77 MHz 0.21μs (210 ns) Intel 80286 1982 1986 6MHz 25 MHz 40 ns 166.7 ns 11.4 量度中央處理器的速度 字長 (Word Size / Word Length) 是指中央處理器能同時處理的數據和指令的位元數目 字長較長的中央處理器的優點包括 : 能同時處理更多的數據 ; 指令集能包含更多數目的指令 ; 指令集能包含更多複雜的指令 Intel 80386 1986 2007 16 MHz 40 MHz 25 ns 62.5 ns Intel 80486 1989 2007 16 MHz 100 MHz 10 ns 33.4 ns Pentium 1993 1996 60 MHz 200 MHz 5 ns 16.7 ns Pentium II 1997 1999 233 MHz 450 MHz 2.2 ns 4.3 ns Pentium III 1999 2001 500 MHz 1.13 GHz 885 ps 2 ns Pentium IV 2000 現在 1.4 GHz 3.4 GHz 294 ps 714 ps Intel lcore 2 Duo 2006 現在 1.06 GHz 3G GHz 333 ps 943 ps 23 過去三十年內常見的中央處理器的時鐘頻率 一個 64 位元的中央處理器 24
主記憶體 可直接存取中央處理器的數據, 而毋須經由任何輸入 / 輸出信道 主記憶體通常安裝在主機板上 用來貯存中央處理器將會處理的數據 用來貯存中央處理器將會處理的指令 兩種主要的主記憶體 : 隨機存取記憶體 (RAM) 唯讀記憶體 (ROM) 隨機存取記憶體 (RAM) 用於暫存來自應用程序和操作系統的數據和指令的集成電路, 其內容會隨電腦的操作而不斷改變 易失性 = 關掉電腦後, 貯存在隨機存取記憶體內的數據亦會隨之消失 存取時間大約是硬碟的百分之一 記憶體的量度單位是字節 (B) 對於容量較大的記憶體, 我們會使用千字節 (KB) 百萬字節(MB) 十億字節(GB) 和萬億字節 (TB) 作為單位 隨機存取記憶體模組 25 26 隨機存取記憶體 (RAM) 主要有兩種 : 動態隨機存取記憶體 (DRAM) 靜態隨機存取記憶體 (SRAM) 動態隨機存取記憶體 (DRAM) 靜態隨機存取記憶體 (SRAM) 速度 ( 時鐘頻率 ) 較低 較高 成本 較低 較高 耗電量高於 SRAM 低於 DRAM 容量較大較小 應用範圍 電腦的主記憶 遊戲機 動態隨機存取記憶體和靜態隨機存取記憶體的特點 中央處理器的快取記憶體 (cache) 硬碟緩衝區 打印機緩衝區和個人數碼助理 27 唯讀記憶體 (ROM) 可永久地貯存製造商所提供的資料, 包括引導程序 引導程序是載入和啟動操作系統的必備程序 唯讀記憶體亦貯存了基本輸入輸出系統 (BIOS) 的小型程序組 屬於非易失性 唯讀記憶體有各種不同的版本 : 可刪可編程唯讀記憶體 (EPROM) 可電刪可編程唯讀記憶體 (EEPROM) 安裝在主機板上的唯讀記憶體晶片 28
快取記憶體 (Cache) 高速存取的記憶體 為中央處理器提供常用的指令和數據, 從而加速電腦的處理流 程 一般與中央處理器結合或位於中央處理器的附近 11.6 中央處理器和主記憶體的最新發展 中央處理器的最新發展 中央處理器未來的發展主要集中於把更多核芯整合在中央處理器內 找到所需的數據 中央處理器即可取得數據, 並進行下一項工作 中央處理器在需要指令和數據時 會先以極短的時間搜尋所有快取記憶體 找不到所需的數據 中央處理器會在主記憶體中搜尋數據 29 Intel 45 納米圓片上的處理器和鉛筆的對照 每個雙核心晶片內包含 4 億 1 千萬個晶體管 30 11.6 中央處理器和主記憶體的最新發展 中央處理器的最新發展 較小的晶片管芯 使核芯可以更有效率地作並行處理 中央處理器亦有較佳的流水線技術 會充分利用新開發的高速第三代雙通道同步動態隨機存取記憶體 (DDR3) 縮短中央處理器和主記憶體的速度差距 11.6 中央處理器和主記憶體的最新發展 主記憶體的最新發展 主記憶體模組的新標準為第三代雙通道同步動態隨機存取記憶體 相比前身的記憶體模組,DDR3 能以較低電壓但較高頻率運行 在高檔次的電腦市場及筆記簿型電腦用戶中大受歡迎 AMD Phenom 四核芯處理器管芯 Intel 45 納米四核心處理器及其晶片管芯 31 DDR3 記憶體模組 32