第 3 章 計 算 機 組 織 1
目 錄 3-1 系 統 單 元 3-2 中 央 處 理 器 (CPU) 3-2-1 控 制 單 元 (CU) 3-2-2 算 術 邏 輯 單 元 (ALU) 3-2-3 暫 存 器 3-2-4 CPU 的 工 作 原 理 - 以 x86 CPU 為 例 3-2-5 CPU 相 關 規 格 3-2-6 機 器 語 言 3-2-7 機 器 循 環 週 期 2
3-3 CPU 的 設 計 架 構 與 技 術 3-3-1 CISC V.S. RISC 3-3-2 管 線 3-3-3 超 純 量 處 理 器 3-3-4 平 行 處 理 3-4 記 憶 體 3-4-1 記 憶 體 的 種 類 3-4-2 記 憶 體 的 階 層 3-4-3 主 記 憶 體 的 定 址 方 式 3
3-5 電 腦 與 週 邊 通 訊 3-6 輸 入 / 輸 出 的 定 址 方 式 3-6-1 隔 離 I/O 3-6-2 記 憶 體 映 射 I/O 3-7 輸 入 / 輸 出 介 面 3-7-1 程 式 控 制 I/O 3-7-2 中 斷 式 I/O 3-7-3 直 接 記 憶 體 存 取 (DMA) 4
3-8 輸 入 裝 置 3-9 輸 出 裝 置 3-10 儲 存 裝 置 5
電 腦 執 行 過 程 6
3-1 系 統 單 元 電 腦 的 系 統 單 元 (system unit) 包 含 中 央 處 理 器 (CPU) 與 主 記 憶 體 兩 個 部 分 7
3-2 中 央 處 理 器 (CPU) CPU 負 責 算 術 運 算 邏 輯 運 算 與 程 式 執 行, 又 稱 為 微 處 理 器 (microprocessor) 或 處 理 器 (processor) CPU 是 由 控 制 單 元 算 術 邏 輯 單 元 及 部 分 的 記 憶 體 單 元 ( 暫 存 器 ) 所 組 成 8
中 央 處 理 單 元 中 央 處 理 單 元 (Central Processing Unit, CPU) 是 電 腦 中 最 重 要 的 部 份, 主 宰 著 整 部 電 腦 的 運 作 也 是 實 際 用 來 執 行 程 式 解 碼 資 料 處 理 邏 輯 判 斷 及 運 算 的 部 門 CPU 基 本 組 成 單 位 9
中央處理單元(續) 應用: 常以晶片的方式置入在許多日常生活的 設備中 稱為微電腦 如微電腦電冰箱 電 梯 計算器 微電腦冷氣機等 計算機 電梯 10
3-2-1 控 制 單 元 (CU) 控 制 單 元 (control unit) 是 負 責 控 制 資 料 流 向 與 指 令 流 向 的 電 路, 它 可 以 讀 取 並 解 譯 指 令, 然 後 產 生 訊 號 控 制 算 術 邏 輯 單 元 暫 存 器 等 CPU 內 部 的 元 件 來 完 成 工 作 控 制 單 元 的 製 作 方 式 有 下 列 兩 種 : 硬 體 線 路 控 制 (hardwired control) 微 程 式 控 制 (microprogrammed control) 11
3-2-2 算 術 邏 輯 單 元 (ALU) 算 術 邏 輯 單 元 (arithmetic/logic unit) 是 負 責 算 術 運 算 與 邏 輯 運 算 的 電 路 電 腦 的 機 器 指 令 有 下 列 三 種 類 型 : 資 料 傳 送 類 型 : 這 類 型 的 指 令 可 以 將 資 料 從 某 處 複 製 或 搬 移 至 它 處, 例 如 LOAD STORE 算 術 邏 輯 類 型 : 這 類 型 的 指 令 除 了 可 以 進 行 加 減 乘 除 等 算 術 運 算 之 外, 還 可 以 進 行 AND OR XOR SHIFT ROTATE 等 邏 輯 運 算 控 制 類 型 : 這 類 型 的 指 令 是 指 示 程 式 的 執 行, 而 非 進 行 運 算, 例 如 JUMP BRANCH 12
3-2-3 暫 存 器 暫 存 器 (register) 是 位 於 CPU 內 部 的 記 憶 體, 用 來 暫 時 存 放 目 前 正 在 進 行 運 算 的 資 料 或 目 前 正 好 運 算 完 畢 的 資 料 要 注 意 的 是 暫 存 器 和 主 記 憶 體 不 同, 暫 存 器 位 於 CPU 內 部, 主 記 憶 體 位 於 CPU 外 部, 中 間 透 過 匯 流 排 來 存 取, 匯 流 排 (bus) 是 主 機 板 上 面 的 鍍 銅 電 路, 負 責 傳 送 電 腦 內 部 的 電 子 訊 號 13
暫 存 器 位 址 匯 流 排 資 料 匯 流 排 控 制 匯 流 排 14 14
3-2-4 CPU 的 工 作 原 理 - 以 x86 CPU 為 例 CPU 的 構 造 CPU 的 構 造 包 含 了 控 制 單 元 (CU, Control Unit) 算 術 / 邏 輯 單 元 (ALU, Arithmetic / Logic Unit ) 暫 存 器 (Register) 等, 並 透 過 匯 流 排 (Bus) 來 溝 通 : 15 15
x86 系 列 CPU 中 幾 種 較 常 見 的 暫 存 器 一 般 用 途 暫 存 器 (General Purpose Register) : 一 般 用 途 暫 存 器 是 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 : 累 加 器 通 常 會 被 單 獨 拿 出 來 介 紹, 因 為 累 加 器 是 算 術 / 邏 輯 運 算 單 元 中 相 當 重 要 的 部 份, 是 用 來 存 放 運 算 過 程 及 運 算 結 果 的 資 料 16 16
x86 系 列 CPU 中 幾 種 較 常 見 的 暫 存 器 指 令 暫 存 器 (Instruction Register): 通 常 設 置 在 控 制 單 元 內, 用 來 存 放 目 前 被 執 行 的 指 令 程 式 計 數 器 (Program Counter): 用 來 記 錄 CPU 下 一 個 要 執 行 指 令 所 存 放 的 位 址 17
x86 系 列 CPU 中 幾 種 較 常 見 的 暫 存 器 位 址 暫 存 器 : 用 來 記 錄 資 料 存 放 在 記 憶 體 的 位 址, 也 稱 為 指 位 器 (Pointer) 堆 疊 暫 存 器 ( Stack Register): 堆 疊 暫 存 器 是 用 來 記 錄 堆 疊 最 頂 端 位 址 的 暫 存 器 18
x86 系 列 CPU 中 幾 種 較 常 見 的 暫 存 器 指 令 暫 存 器 (Instruction Register): 通 常 設 置 在 控 制 單 元 內, 用 來 存 放 目 前 被 執 行 的 指 令 19
x86 系 列 CPU 中 幾 種 較 常 見 的 暫 存 器 索 引 暫 存 器 (Index Register) : 索 引 暫 存 器 是 索 引 定 址 法 在 做 暫 存 器 定 址 時 使 用 的 暫 存 器 20
x86 系 列 CPU 中 幾 種 較 常 見 的 暫 存 器 旗 標 暫 存 器 (Flag Register): 旗 標 暫 存 器 是 一 種 比 較 特 殊 的 暫 存 器, 是 用 來 記 錄 CPU 在 處 理 運 算 時 的 狀 態, 或 運 算 之 後 的 狀 態 21
3-2-5 CPU 相 關 規 格 用 來 計 量 CPU 運 算 速 度 的 單 位 稱 為 MIPS (Millions of Instruction Per Second, 每 秒 百 萬 個 指 令 ), 意 即 CPU 一 秒 鐘 可 以 執 行 幾 百 萬 個 的 指 令 CPU 的 工 作 時 脈 一 般 描 述 CPU 的 效 能 時, 都 是 以 CPU 運 作 的 時 脈 頻 率, 也 稱 為 工 作 時 脈 來 描 述, 早 期 其 單 位 為 MHz ( 每 秒 百 萬 次 ) CPU 時 脈 的 計 算 方 式 如 下 : 22 22
內 頻 (Internal Clock): 是 CPU 內 部 在 工 作 時 的 頻 率, 以 Pentium 4 2.8G 的 CPU 為 例, 其 內 頻 即 是 2800 MHz 外 頻 (External Clock): 是 主 機 板 提 供 給 CPU 的 時 脈 頻 率 倍 頻 係 數 (Clock Multiplier Factor): 以 內 頻 除 以 外 頻, 會 得 到 一 係 數, 此 係 數 即 稱 為 倍 頻 係 數, 也 就 是 內 頻 和 外 頻 相 差 的 倍 數 23 23
時 脈 (clock) 是 電 腦 內 部 一 個 類 似 時 鐘 的 裝 置, 它 每 計 數 一 次, 稱 為 一 個 時 脈 週 期 (clock cycle), 電 腦 就 可 以 完 成 少 量 工 作 時 脈 速 度 (clock rate) 指 的 是 時 脈 計 數 的 速 度, 單 位 為 MHz ( 百 萬 赫 茲 ) 或 GHz ( 十 億 赫 茲 ), 也 就 是 每 秒 鐘 幾 百 萬 次 或 每 秒 鐘 幾 十 億 次, 而 時 脈 每 計 數 一 次 所 經 過 的 時 間 稱 為 時 脈 週 期 時 間 (clock cycle time) 電 腦 的 效 能 取 決 於 時 脈 速 度 CPI 和 指 令 數 目 等 因 素 24
CPI(clock cycle per instruction) : 每 個 指 令 所 需 要 的 時 脈 週 期, 例 如 四 個 時 脈 週 期 完 成 一 個 指 令 四 個 步 驟 ( 擷 取 解 碼 執 行 存 回 ) Clock: 時 脈 1 2 3 4 擷 取 解 碼 執 行 存 回 25
3-2-6 機 器 語 言 機 器 語 言 (machine language) 是 程 式 與 電 腦 溝 通 的 介 面, 定 義 了 程 式 可 以 使 用 的 指 令 與 編 碼 方 式 機 器 指 令 (machine instruction) 的 編 碼 方 式 通 常 包 含 運 算 碼 (op-code) 和 運 算 元 (operand) 兩 個 部 分, 其 中 運 算 碼 是 這 個 指 令 所 要 進 行 的 運 算, 運 算 元 是 這 個 指 令 進 行 運 算 的 對 象 26
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運 算 碼 運 算 元 說 明 1 RXY LOAD 指 令, 將 主 記 憶 體 位 址 XY 的 資 料 載 入 暫 存 器 R 2 RXY STORE 指 令, 將 暫 存 器 R 的 資 料 儲 存 到 主 記 憶 體 位 址 XY 3 RST ADD 指 令, 將 暫 存 器 S 的 資 料 與 暫 存 器 T 的 資 料 相 加, 再 將 結 果 儲 存 到 暫 存 器 R 4 RST OR 指 令, 將 暫 存 器 S 的 資 料 與 暫 存 器 T 的 資 料 進 行 OR 運 算, 再 將 結 果 儲 存 到 暫 存 器 R 5 RST AND 指 令, 將 暫 存 器 S 的 資 料 與 暫 存 器 T 的 資 料 進 行 AND 運 算, 再 將 結 果 儲 存 到 暫 存 器 R 6 RST XOR 指 令, 將 暫 存 器 S 的 資 料 與 暫 存 器 T 的 資 料 進 行 XOR 運 算, 再 將 結 果 儲 存 到 暫 存 器 R 7 RXY JUMP 指 令, 若 暫 存 器 R 的 資 料 與 暫 存 器 R0 的 資 料 相 同, 就 跳 到 主 記 憶 體 位 址 XY 去 執 行, 否 則 依 序 執 行 8 000 HALT 指 令, 使 程 式 暫 時 停 止 執 行, 例 如 機 器 指 令 8000 是 將 程 式 暫 停 28
11BA ( 將 主 記 憶 體 位 址 BA 的 資 料 載 入 暫 存 器 R1) 12BB ( 將 主 記 憶 體 位 址 BB 的 資 料 載 入 暫 存 器 R2) 3312 ( 將 暫 存 器 R1 的 資 料 與 暫 存 器 R2 的 資 料 相 加, 再 將 結 果 儲 存 到 暫 存 器 R3) 23B0 ( 將 暫 存 器 R3 的 資 料 儲 存 到 主 記 憶 體 位 址 B0) 10B0 ( 將 主 記 憶 體 位 址 B0 的 資 料 載 入 暫 存 器 R0) 73FF ( 若 暫 存 器 R3 的 資 料 與 暫 存 器 R0 的 資 料 相 同, 就 跳 到 主 記 憶 體 位 址 FF 去 執 行, 否 則 依 序 執 行 ) 29
3-3 CPU 的 設 計 架 構 與 技 術 CPU 的 指 令 集 指 令 集 (Instruction Set) 是 一 群 指 令 的 集 合 ; 而 指 令 則 是 CPU 提 供 的 服 務 CISC 與 RISC CISC (Complex Instruction Set Computer) 稱 為 複 雜 指 令 集, 是 指 CPU 內 使 用 功 能 較 多 較 強 的 指 令 使 用 CISC 最 具 代 表 性 的 CPU, 即 是 Intel x86 系 列 的 CPU 30 30
RISC (Reduced Instruction Set Computer) 稱 為 精 簡 指 令 集, 也 就 是 使 用 少 量 較 常 用 的, 且 功 能 較 簡 單 的 基 本 指 令, 來 完 成 複 雜 的 指 令 使 用 RISC 的 CPU 通 常 是 非 x86 系 列 的 CPU, 最 具 代 表 性 的 是 IBM Motorola 與 Apple 共 同 開 發 的 PowerPC 31 31
CPU 的 規 格 與 技 術 名 詞 關 於 CISC 和 RISC 的 比 較 整 理 如 下 : 32
Hyper-Threading Hyper-Threading 的 中 文 翻 譯 為 超 執 行 緒, 簡 稱 為 H.T. 用 比 較 淺 顯 的 概 念 來 說, Hyper-Threading 就 是 把 1 個 實 體 的 CPU 模 擬 成 2 顆 CPU 增 加 處 理 器 運 作 效 率, 藉 以 有 效 地 善 用 資 源 減 少 系 統 資 源 的 浪 費 : Intel 的 超 執 行 緒 技 術, 讓 電 腦 宛 如 同 時 有 2 科 CPU 在 運 作 33 33
CPU 的 規 格 與 技 術 名 詞 多 核 心 雙 核 心 相 當 於 將 兩 個 CPU ( 核 心 ) 包 裝 在 單 一 個 CPU 晶 片 上 64 位 元 和 32 位 元 CPU 的 區 別 CPU 的 位 元 數, 主 要 決 定 於 CPU 一 次 能 處 理 的 字 組 (Word) 大 小 所 謂 的 32 位 元 CPU, 就 是 可 以 處 理 32 Bits 的 字 組 ; 同 樣 地, 64 位 元 的 CPU 就 是 可 以 處 理 64 Bits 的 字 組 34 34
微 處 理 器 的 種 類 Intel Pentium Celeron Xeon 和 Itanium Intel 相 容 Cyrix AMD 35
微 處 理 器 的 種 類 PowerPC 由 Apple IBM 和 Motorola 所 合 作 設 計 主 要 是 用 在 Apple Macintosh 個 人 電 腦 家 族 上 它 也 可 以 用 在 伺 服 器 與 內 嵌 式 系 統 中 Alpha 由 Compaq ( 康 柏 ) 所 製 造 用 在 高 階 伺 服 器 與 工 作 站 上 36
3-3-1 機 器 循 環 週 期 CPU 執 行 一 個 指 令 的 過 程 叫 做 機 器 循 環 週 期 (machine cycle), 包 含 下 列 四 個 步 驟 : 指 令 擷 取 指 令 解 碼 指 令 執 行 結 果 存 回 37
執 行 程 式 CU 擷 取 指 令 放 進 記 憶 體 中 CU 將 此 指 令 解 碼 CU 通 知 硬 體 相 關 部 分 準 備 採 取 行 動 將 控 制 權 轉 移 到 硬 體 的 相 關 部 分 執 行 工 作 控 制 權 回 到 CU 38
機 器 循 環 週 期 I-time CU 從 記 憶 體 中 擷 取 (fetch) 指 令, 然 後 放 進 暫 存 器 中 CU 將 此 指 令 解 碼 (decode), 並 決 定 所 需 要 的 資 料 在 記 憶 體 中 的 位 置 39
機 器 循 環 週 期 E-time 執 行 CU 將 資 料 從 記 憶 體 搬 移 到 ALU 內 的 暫 存 器 中 由 ALU 負 責 控 制 與 執 行 指 令 控 制 權 回 到 CU CU 將 運 算 後 的 結 果 存 放 在 記 憶 體 或 暫 存 器 中 40
3-3-2 管 線 41
管 線 為 提 昇 電 腦 在 固 定 時 間 的 工 作 量 所 產 生 的 工 作 方 式 假 設 工 廠 的 作 業 方 式 : 洗 淨 篩 選 包 裝 分 箱 最 有 效 方 式 是 四 位 員 工 分 別 負 責 前 述 四 個 步 驟 第 一 位 員 工 洗 淨 後, 交 第 二 位 員 工 篩 選 第 二 位 員 工 篩 選 後, 交 第 三 位 員 工 包 裝 第 三 位 員 工 包 裝 後, 交 第 四 位 員 工 分 箱 每 位 員 工 只 做 上 述 動 作, 直 到 所 有 產 品 做 完 為 止 42
傳 統 方 式 與 管 線 方 式 的 比 較 40ns 40ns 40ns 傳 統 方 式 40ns 40 80 3960 4000 管 線 方 式 43
假 設 CPU 指 令 分 四 個 步 驟 完 成, 每 個 步 驟 所 花 費 時 間 的 為 T 秒 若 有 N 個 指 令, 傳 統 方 式 則 需 4 N T 管 線 方 式 則 需 (N-1) T+4 T 例 如 :N=100, T=10ns, 傳 統 方 式 = 4 100 10 = 4000 ns 管 線 方 式 = 99 10 +4 10 = 1030 ns 44
3-3-3 超 純 量 處 理 器 同 時 完 成 兩 個 指 令, 以 傳 統 方 式 進 行 同 時 完 成 兩 個 指 令, 以 管 線 方 式 進 行 45
3-3-4 平 行 處 理 平 行 處 理 是 一 部 電 腦 裡 面 有 多 個 處 理 器, 每 個 處 理 器 都 像 一 個 CPU, 可 以 獨 立 執 行 工 作, 至 於 主 記 憶 體 及 輸 入 / 輸 出 裝 置 則 是 共 用 46
3-4 記 憶 體 3-4-1 記 憶 體 的 種 類 記 憶 體 有 RAM ( 隨 機 存 取 記 憶 體 ) 與 ROM ( 唯 讀 記 憶 體 ) 兩 種 RAM 又 分 成 下 列 兩 種 : DRAM (dynamic RAM, 動 態 隨 機 存 取 記 憶 體 ) SRAM (static RAM, 靜 態 隨 機 存 取 記 憶 體 ) ROM 又 分 成 下 列 三 種 : PROM (programmable ROM) EPROM (erasable PROM) EEPROM (electronically EPROM) 47
揮 發 性 : 關 閉 電 源 後,RAM 所 儲 存 的 資 料 會 消 失 非 揮 發 性 : 關 閉 電 源 後,ROM 所 儲 存 的 資 料 不 會 消 失, 所 以 它 用 來 儲 存 開 機 的 BIOS 48
3-4-2 記 憶 體 的 階 層 暫 存 器 (register) 快 取 記 憶 體 (cache memory) 主 記 憶 體 (main memory) 49
快 取 記 憶 體 (Cache memory) 它 是 一 塊 小 但 非 常 快 速 的 暫 存 記 憶 體 目 的 為 了 加 速 內 部 資 料 和 軟 體 指 令 的 傳 輸 存 放 著 最 近 用 過 或 最 常 被 使 用 到 的 資 料 和 指 令 50
快 取 記 憶 體 (Cache memory) 第 3 步 傳 送 到 CPU 和 快 取 記 憶 體 中 處 理 器 快 取 記 憶 體 第 2 步 到 主 記 憶 體 中 的 該 位 址 去 讀 取 R A M 第 1 步 處 理 器 要 求 擷 取 資 料 或 指 令 下 一 次 微 處 理 器 需 要 資 料 或 指 令 時 先 到 快 取 記 憶 體 中 尋 找 找 不 到 再 到 記 憶 體 中 尋 找 51
快 取 記 憶 體 的 種 類 快 取 記 憶 體 (cache memory) 是 介 於 CPU 與 主 記 憶 體 之 間 的 記 憶 體, 存 取 速 度 較 快, 成 本 也 較 高 快 取 記 憶 體 又 可 以 分 成 二 至 三 種 層 次 L1 快 取 (level 1 cache internal cache) 內 建 於 CPU 晶 片, 存 取 速 度 快, 容 量 小, 約 32-128KB L2 快 取 (level 2 cache external cache) 的 存 取 速 度 較 L1 快 取 慢, 容 量 較 L1 快 取 大, 約 256KB- 4MB, 早 期 是 以 獨 立 晶 片 的 形 式 插 在 主 機 板 上 面, 目 前 大 部 分 亦 內 建 於 CPU 晶 片 有 些 內 建 L2 快 取 的 CPU 還 有 第 三 種 層 次 的 L3 快 取 (level 3 cache), 以 獨 立 晶 片 的 形 式 插 在 主 機 板 上 面 52
3-4-3 主 記 憶 體 的 定 址 方 式 主 記 憶 體 是 由 許 多 記 憶 體 單 元 (cell) 所 組 成, 不 同 機 器 可 能 有 不 同 數 目 的 記 憶 體 單 元, 而 且 記 憶 體 單 元 的 大 小 也 不 盡 相 同 為 了 加 以 辨 識, 每 個 記 憶 體 單 元 都 有 唯 一 的 位 址 (address), 同 時 這 些 位 址 是 從 0 開 始, 依 照 順 序 編 號 53
3-5 電 腦 與 週 邊 通 訊 電 腦 內 部 的 電 子 訊 號 是 由 匯 流 排 進 行 傳 送, 由 下 列 三 組 電 路 所 組 成 : 資 料 線 (data line) 負 責 傳 送 資 料 位 址 線 (address line) 負 責 存 放 主 記 憶 體 或 週 邊 的 位 址 控 制 線 (control line) 負 責 發 出 控 制 訊 號, 例 如 讀 取 寫 入 等 匯 流 排 又 分 為 下 列 兩 種 : 系 統 匯 流 排 : 負 責 傳 送 CPU 與 主 記 憶 體 之 間 的 資 料 擴 充 匯 流 排 : 負 責 傳 送 CPU 與 週 邊 之 間 的 資 料 54
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PC 匯 流 排 與 連 接 埠 ISA (EISA) PCI (PCI-X) AGP USB IEEE 1394 (FireWire) PC Card 用 在 慢 速 的 裝 置 如 滑 鼠 和 數 據 機 上 (8.33MB/sec~33MB/sec) 適 用 於 連 接 高 速 的 裝 置 如 硬 碟 和 網 路 卡 上 (133MB/sec~4.3GB/sec) 連 接 記 憶 體 與 圖 形 卡 以 提 供 更 快 速 的 視 訊 效 能 (266MB/sec ~ 2.1GB/sec) 支 援 daisy-chaining 功 能, 省 去 需 要 多 張 擴 充 卡 的 麻 煩 ; 可 以 熱 切 換 (hot-swappable) (12Mb/sec ~ 480Mb/sec) 一 種 高 速 的 匯 流 排, 通 常 是 用 在 連 接 視 訊 設 備 到 你 的 電 腦 上 (800Mb/sec ~3.2Gb/sec) 信 用 卡 般 大 小 的 PC Card 裝 置, 通 常 是 用 在 筆 記 型 電 腦 上 56
3GIO:PCI Express (2.5GB/sec ~80GB/sec) 硬 碟 控 制 介 面 軟 碟 控 制 介 面 光 碟 控 制 介 面, 如 IDE SATA2 PS/2 埠 : 連 接 PS/2 鍵 盤 與 PS/2 滑 鼠 序 列 埠 : 一 次 傳 送 一 個 位 元, 傳 輸 速 度 慢, 用 於 滑 鼠 數 據 機 com1 com2 等 平 行 埠 : 一 次 傳 送 多 個 位 元, 傳 輸 速 度 快, 用 於 印 表 機 掃 描 器 LPT1 等 57
紅 外 線 傳 輸 埠 (IrDA) (1) 距 離 (1~2m), 速 度 (9600b/sec~4Mb/sec) (2) 距 離 (5m), 速 度 (75K/sec) 其 它 擴 充 插 槽 :SCSI 卡 音 效 卡 等 58
3-6 輸 入 / 輸 出 的 定 址 方 式 3-6-1 隔 離 I/O 在 隔 離 I/O (isolated I/O) 中, 每 個 週 邊 均 有 唯 一 的 位 址, 但 這 些 位 址 卻 可 能 和 主 記 憶 體 的 記 憶 體 單 元 重 複, 為 了 避 免 混 淆, 於 是 得 設 計 兩 組 不 同 的 指 令 來 進 行 主 記 憶 體 的 讀 寫 及 週 邊 的 讀 寫 59
3-6-2 記 憶 體 映 射 I/O 在 記 憶 體 映 射 I/O (memory-mapped I/O) 中, 每 個 週 邊 均 有 唯 一 的 位 址, 這 些 位 址 是 從 主 記 憶 體 的 部 分 定 址 空 間 配 置 出 來, 不 會 和 主 記 憶 體 的 記 憶 體 單 元 重 複 60
3-7 輸 入 / 輸 出 介 面 輸 入 / 輸 出 介 面 主 要 的 工 作 有 : (1) 與 週 邊 溝 通 ; (2) 與 CPU 和 主 記 憶 體 溝 通 ; (3) 做 為 資 料 緩 衝 區 ; (4) 錯 誤 偵 測 與 回 報 61
輸 入 / 輸 出 資 料 傳 輸 方 式 : 程 式 控 制 I/O 中 斷 式 控 制 I/O 直 接 記 憶 體 存 取 (DMA) 62
3-7-1 程 式 控 制 I/O CPU 必 備 一 直 詢 問 I/O 介 面, 才 能 掌 握 週 邊 的 狀 態 無 法 執 行 其 他 工 作 63
3-7-2 中 斷 式 I/O 中 斷 要 求 放 下 CPU 正 執 行 工 作 檢 查 中 斷 要 求 的 層 級 執 行 中 斷 要 求 所 指 定 的 工 作 當 中 斷 要 求, 放 下 CPU 正 執 行 工 作 檢 查 中 斷 要 求 的 層 級 執 行 中 斷 要 求 所 指 定 的 工 作 執 行 CPU 原 被 中 斷 的 工 作 執 行 CPU 原 被 中 斷 的 工 作 64
3-7-3 直 接 記 憶 體 存 取 (DMA) 65
當 主 記 憶 體 與 週 邊 之 間 要 大 量 傳 送 資 料 時,CPU 只 要 將 傳 送 類 型 位 址 資 料 的 位 元 組 數 目 等 訊 息 通 知 DMA DMA 直 接 由 週 邊 取 得 資 料 傳 送 給 主 記 憶 體 反 之 亦 然, 因 為 不 再 打 擾 CPU 工 作, 電 腦 的 效 能 自 然 就 提 高 66
3-8 輸 入 裝 置 輸 入 (input) 指 的 是 使 用 者 放 進 主 記 憶 體 的 資 料, 其 類 型 如 下 : 軟 體 (software) 資 料 (data) 命 令 (command) 回 應 (response) 67
輸 入 裝 置 (input device) 可 以 接 受 外 來 的 資 料, 然 後 將 這 些 資 料 轉 換 成 電 腦 看 得 懂 的 格 式, 傳 送 給 中 央 處 理 器 做 運 算 68
3-9 輸 出 裝 置 輸 出 (output) 指 的 是 電 腦 運 算 的 結 果, 其 類 型 如 下 : 文 字 (text) 圖 形 (image) 音 訊 (audio) 視 訊 (video) 69
輸 出 裝 置 (output device) 可 以 將 電 腦 處 理 完 畢 的 二 進 位 資 料 轉 換 成 使 用 者 可 以 理 解 的 文 字 圖 形 音 訊 或 視 訊, 然 後 顯 示 出 來 70
3-10 儲 存 裝 置 儲 存 裝 置 (storage device) 的 用 途 是 存 放 資 料 指 令 或 程 式, 又 稱 為 輔 助 儲 存 裝 置 大 量 儲 存 裝 置 或 次 級 儲 存 裝 置 線 上 儲 存 裝 置 V.S. 離 線 儲 存 裝 置 揮 發 性 V.S. 非 揮 發 性 循 序 存 取 V.S. 隨 機 存 取 71
3-10-1 硬 式 磁 碟 機 硬 碟 的 內 部 構 造 主 要 有 碟 片 (platter) 主 軸 馬 達 (moter) 存 取 臂 (access arm) 及 讀 寫 頭 (read/write head) 72
磁 軌 (track): 沿 碟 片 上 走 過 一 個 圓 形 軌 跡 磁 區 (sector): 一 個 磁 軌 分 為 多 個 圓 弧, 每 個 圓 弧, 稱 為 磁 區, 內 含 512 位 元 組 磁 簇 (cluster): 數 個 磁 區 的 集 合 磁 柱 (cylinder): 各 碟 片 上 相 同 磁 區 的 集 合 磁 柱 73
硬 碟 的 規 格 容 量 轉 速 ( 硬 碟 內 部 主 軸 馬 達 轉 動 的 速 度, 以 RPM 為 單 位 ) 平 均 搜 尋 時 間 ( 從 硬 碟 找 到 資 料 位 置 所 需 要 的 平 均 時 間, 以 ms 為 單 位 ) 資 料 傳 輸 速 率 ( 將 資 料 傳 送 給 電 腦 的 速 率, 以 Mbps 為 單 位 ) 硬 碟 控 制 介 面 (ATA Serial ATA SCSI USB IEEE 1394 ) 74
磁 碟 陣 列 鏡 射 (mirroring) 等 量 分 配 (striping) 75
3-10-2 軟 式 磁 碟 機 軟 碟 包 含 軟 碟 片 (diskette) 和 軟 碟 機 (floppy disk drive) 兩 個 部 分, 軟 碟 片 的 外 殼 為 塑 膠 材 質, 裡 面 的 儲 存 媒 體 是 一 個 塗 有 磁 性 薄 膜 的 圓 形 塑 膠 碟 片, 而 軟 碟 機 則 是 用 來 讀 寫 軟 碟 片 的 設 備 76
3-10-3 高 容 量 磁 碟 諸 如 SONY HiFD Imation SuperDisk Iomega ZIP 均 屬 於 高 容 量 磁 碟 77
3-10-4 磁 帶 磁 帶 是 在 一 條 寬 度 為 1/4 吋 (6.3mm) 或 1/2 吋 (12.7mm) 的 塑 膠 帶 表 面 塗 上 磁 性 物 質 來 記 錄 資 料, 外 觀 與 傳 統 的 錄 音 帶 錄 影 帶 極 為 類 似 除 了 容 量 之 外, 磁 帶 所 能 儲 存 的 資 料 也 可 以 使 用 密 度 為 單 位, 例 如 CPI 表 示 每 吋 磁 帶 可 以 儲 存 幾 字 元,BPI 表 示 每 吋 磁 帶 可 以 儲 存 幾 位 元 組 磁 帶 的 優 缺 點 78
3-10-5 光 學 儲 存 裝 置 光 碟 分 成 光 碟 片 與 光 碟 機 兩 個 部 份, 光 碟 片 是 在 聚 碳 酸 酯 塑 膠 上 覆 蓋 一 層 反 射 鋁 質, 藉 由 不 同 的 反 射 面, 將 資 料 記 錄 在 光 碟 片 常 見 的 有 唯 讀 光 碟 CD- ROM 影 音 光 碟 VCD 相 片 光 碟 磁 光 碟 MO CD-R/CD-RW 數 位 影 音 光 碟 DVD 等 79
DVD 的 規 格 可 以 分 成 下 列 幾 種 : DVD-ROM MOVIE-DVD AUDIO-DVD DVD-R/DVD-RW DVD+R/DVD+RW DVD-RAM 80
3-10-6 企 業 儲 存 系 統 企 業 儲 存 系 統 結 合 了 數 種 儲 存 技 術, 包 括 : 伺 服 器 (server) 磁 碟 陣 列 系 統 (RAID) 儲 存 區 域 網 路 (SAN,storage area network) 磁 帶 庫 (tape library) 光 碟 庫 (optical disk library) 81
3-10-7 固 定 狀 態 儲 存 裝 置 PC Card (Type I Type II Type III 三 種 類 型 ) 快 閃 記 憶 體 卡 (Smart Media Compact Flash Memory Stick xd ) 智 慧 卡 ( 一 種 是 僅 有 記 憶 功 能 的 記 憶 卡, 另 一 種 是 有 CPU 運 算 與 記 憶 功 能 的 IC 卡 ) 82