第 5 章 CPU 5- CPU 的簡介. CPU 又稱為微處理器 (microprocessor), 包含以下幾個元件 : a. 控制單元 : 控制與協調各單元間的相互運作 b. 算術 / 邏輯單元 (ALU): 負責資料的運算與邏輯判斷 c. 快取記憶體 (cache memory): 存放常用的指令或資料 d. 暫存器 (register): 存放 CPU 運算中的資料 指令, 及程式執行的狀態 2. 暫存器的種類 : 暫存器 稱累加器 (ACCumulator, ACC) 位址暫存器 (Memory Address Register, MAR) 指令暫存器 (Instruction Register, IR) 程式計數器 (Program Counter, PC) 旗標暫存器 (Flag Register, FR) 一般用途暫存器 (General Purpose Register, GPR) 儲存 ALU 運算的結果 功能說明 暫存指令或資料在記憶體中的位址 暫存正在執行的指令 存放下一個要執行的指令所在之記憶體位址 存放 CPU 執行指令後的各種狀態 暫存一般運算資料及位址資料 64 位元的電腦, 即表示一般用途暫存器的位元為 64bits + ( D ). 旗標暫存器的內容是表示 (A) 計算結果 (B) 目前的執行位址 (C) 日期 (D) 執行狀態 [98 工管計概 97 工業設計 ] ( D )2. 下列哪一個項目位於中央處理單元中? (A) 輔助記憶體 (B) 主記憶體 (C) 光碟機 (D) 快取記憶體 [96 工管管理 ] ( D )3. 在電腦的基本架構中, 暫存器是內建在下列哪一個單元中? (A) 輸入單元 (B) 輸出單元 (C) 記憶單元 (D) 中央處理單元 [94 工管管理 ] ( D )4. CPU 欲至主記憶體中存取資料, 必先將所欲存取之位址存入下列何者之中? (A) 控制單元 (B) 資料暫存器 (C) 輸出或輸入單元 (D) 位址暫存器 [95 公務試 ] ( A )5. 下列哪一個暫存器, 是用來存放下一個將被執行的指令之位址? (A) 程式計數器 (Program counter) (B) 指令暫存器 (Instruction register) (C) 指標暫存器 (Index register) (D) 累加器 (Accumulator) 秒 測 CPU 包含哪些元件? 這些元件有何功能? 5-
計算機概論 B 總複習 ( 上 ) 答. D 2. D 3. D 4. D 5. A 解 2. 中央處理單元包含控制單元 算術 / 邏輯單元 快取記憶體及暫存器等 5-2 CPU 的規格 Intel Core i7-3770k 3.5GHz A. 製造廠商 Intel AMD 是生產 CPU 的兩大廠商 B. 稱註 CPU 的型號 C. 速率 CPU 的時脈頻率 (clock rate), 為電腦衡量速度的指標. 多核心處理器是指具有多個運算核心的處理器, 其運算速度較單核心處理器快 2. 個人電腦 CPU 的時脈頻率常用的單位為 GHz( 十億赫茲 ) 或 MHz( 百萬赫茲 ), 如 3.5GHz 表示 CPU 內部的石英震盪器每秒產生 35 億次的震盪 秒產生 35 億次的震盪 次震盪 3. 時脈頻率 ( clock rate) 又稱工作頻率或內頻, 其倒數即時脈週期 ( clock cycle), 也就是 CPU 內部的石英震盪器每震盪一次所需花費的時間, 如 : 3.5GHz CPU 的時脈週期 = 秒 3.5GHz = 3.5 0 9 = 3.5 0-9 0.29 奈秒 (ns) 4. CPU 執行一個指令通常需花用 至多個時脈週期 註 : CPU 的核心數可透過 CPU 的規格表來了解 ; 部分 CPU 則可直接從型號中看出 CPU 的核心數, 例如 AMD AM3 Athlon II X2 為雙核心 ;AMD AM3 Phenom II X4 為四核心 5-2
算過㆒定強 若 CPU 的時脈頻率為 2GHz, 則其時脈週期應為多少秒? 答 解 0.5 奈秒 (ns) 2GHz 表示每秒震盪 20 億次時脈週期 = 震盪 次所花用的時間 = 秒 2 0 9 類似題假設 CPU 的時脈頻率為 4GHz, 平均執行一個指令約需花費 2 個時脈週期, 則該 CPU 平均執行一個指令約需花用多少時間? = 2 0 9 秒 = 0.5 奈秒 答 0.5 奈秒 (ns). 內頻 :CPU 的時脈頻率 外頻 :CPU 與晶片組之間資料傳遞的頻率 內頻與外頻之間的倍數, 稱為倍頻係數 這 3 者間的關係為 內頻 = 外頻 倍頻係數 2. 多 CPU 是指在同一塊主機板中同時安插有多顆獨立的 CPU 3. 平行處理 (parallel processing) 技術 : 同時使用多個 CPU 來執行一個工作, 使需要大量運算的工作 ( 如軍事 氣候 物理的運算 ) 可以縮短處理時間 4. GPU(Graphics Processing Unit, 繪圖處理器 ): 負責繪圖運算的處理器, 常整合至顯示卡或 CPU( 稱整合型 CPU), 以提供更佳的繪圖運算效能 5. ㆕加㆒ (4-plus-) 核心 CPU: 由四個核心及一個省電核心組成, 省電核心專門處理簡單的工作 ( 如待機 播放音樂 ), 以節省電力耗用 這種 CPU 主要供平板電腦 手機等行動裝置使用 + ( C ). 某微處理器時脈頻率為 00MHz, 假設執行 個指令需要 3 個時脈, 則執行該指令需要多少時間? (A)0.3ns (B)3ns (C)30ns (D)300ns [0 工管管理 ] ( A )2. 下列哪一種單位是用來表示 CPU 的執行速度? (A)GHz (B)CPS (C)LPM (D)Mbytes ( C )3. 已知某部桌上型電腦的 CPU 規格為 AMD AM3+ FX-850 3.6GHz, 請問其中 3.6 是表示 CPU 的何種規格? (A) 內部記憶體容量 (B) 出廠序號 (C) 時脈頻率 (D) 電源電壓 5-3
計算機概論 B 總複習 ( 上 ) ( D )4. 某銷售員宣稱所販售的電腦為四核心電腦, 請根據上述, 判斷下列何者正確? (A) 該部電腦裝有 4 顆 CPU (B) 該部電腦的 CPU 時脈頻率為 4GHz (C) 該部電腦的製造廠商為 Intel (D) 該部電腦的 CPU 具有四個運算核心 ( B )5. 某部小筆電所使用的 CPU 規格為 Intel Celeron 007U(.5GHz), 請問該部電腦的系統時脈週期應為? (A)ns (B)0.7ns (C).5ns (D)0.5ns ( A )6. 下列有關微處理器的敘述, 何者正確? (A) 時脈週期 (clock cycle) 是時脈頻率 (clock rate) 的倒數 (B) 位址暫存器可用以存放各種狀態或運算的結果 (C) 相較於多核心微處理器, 單核心微處理器更適合多工環境 (D) 執行週期 (execution cycle) 包括擷取 解碼 執行三個主要步驟 答. C 2. A 3. C 4. D 5. B 6. A 解. 時脈頻率為 00MHz 的電腦, 時脈週期為 00 0 6 秒 = 0 0-9 秒 ; 依題意可知執行一個指令須花費 3 個時脈, 故執行一個指令須花用 3 (0 0-9 ) 秒 = 30ns 3. 規格中 3.6GHz 是指 CPU 的時脈頻率, 即該 CPU 內部的石英震盪器每秒可產生 36 億次的震盪 5. 時脈週期 =.5 0 9 秒 0.7 0-9 秒 = 0.7 奈秒 (ns) 5-3 CPU 的運作 註 I-cycle E-cycle. CPU 執行一個指令的過程稱為機器週期 (machine cycle), 包含以下 4 個步驟 : a. 擷取 (fetch) b. 解碼 (decode) c. 執行 (execute) d. 儲存 (store) 口訣記憶法 取碼行存 意 : 拿取密碼行走去存款 記憶體 d a 控制單元 c b 算術 / 邏輯單元 2. MIPS(Million of Instructions Per Second, 每秒百萬個指令 ) 用來表示 CPU 每秒可執行多少百萬個指令 MIPS 值越高,CPU 執行速度越快 註 : 擷取與解碼步驟, 也有人稱為 fetch cycle 秒 測機器週期包含哪幾個步驟? 5-4
算過㆒定強假設 CPU 的執行速度為 5MIPS, 執行一億個指令共需多少時間? 答 20 秒 類似題若某 CPU 平均執行一個指令需耗時 5ns, 則此 CPU 執行速度為多少 MIPS? 解 5MIPS 表示每秒可執行 5 百萬個指令 執行一個指令的時間 = 秒 5,000,000 執行一億個指令的時間 = 00,000,000 秒 5,000,000 = 20 秒 答 200MIPS + ( A ). 在電腦中, 下列哪一個單元負責指令的解碼? (A) 控制單元 (B) 輸入單元 (C) 記憶單元 (D) 算術與邏輯單元 [00 工管工程 ] ( D )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 [96 工業設計 ] ( A )3. 某 CPU 平均執行一個指令所需的時間為 0ns, 則 CPU 的執行速度為 : (A)00MIPS (B)0MIPS (C)MIPS (D)20MIPS [92 電子計概 ] ( D )4. 下列何者負責解釋指令? (A)ALU (B)BUS (C)I/O (D) 控制單元 [ 工業設計 ] ( A )5. 微處理機的工作頻率為 0MHz, 執行某一個指令需要 0 個時脈週期, 則此微處 理機的執行速度為 (A)MIPS (B)2MIPS (C)5MIPS (D)0MIPS [96 公務題 ] ( A )6. CPU 的速度為 5MIPS 時, 則執行一個指令的平均時間為何? (A)0.2μs (B)0.2ns (C)5μs (D)5ms [9 二技 ] ( C )7. CPU 執行一個指令的過程稱之為 (A) 擷取週期 (B) 執行週期 (C) 機器週期 (D) 儲存週期 ( B )8. 若某 CPU 的執行速度為 20MIPS, 執行十億個指令共需多少時間? (A)5 秒 (B)50 秒 (C)20 秒 (D)0 秒 答. A 2. D 3. A 4. D 5. A 6. A 7. C 8. B 5-5
計算機概論 B 總複習 ( 上 ) 解 3. C P U 平均執行一個指令所需時間為 0ns, 因此 秒可以執行 00,000,000 個指令, 所以 CPU 的執行速度為 00MIPS 0 0-9 = 5. 0MHz 表示每秒震盪 0 百萬次 ; 時脈週期 = 震盪 次所花用的時間 = 秒 = 0-7 秒 0 0 6 由題目得知, 執行一個指令需要 0 個時脈週期, 即 (0 0-7 ) 秒 ; 因此 秒可執行的指令數為 0 0 = 0. -7 07 =,000,000, 意即執行速度為 MIPS 6. 執行一個指令的平均時間 = 秒 = 5 0 6 5 0-6 秒 = 0.2 0-6 秒 = 0.2 微秒 (μs) 8. 執行十億個指令的時間 =,000,000,000 20,000,000 = 50 秒 5-4 影響 CPU 執行效能的因素. 時脈頻率 2. 核心數 越高 ( 多 ), 執行效能越高 3. 快取記憶體的容量 4. CPU 的字組 (word) 長度也就是㆒般用途暫存器的位元數, 若該暫存器的位元數為 n 位元, 表示 : a. CPU 一次能處理 n 位元的資料 註 b. 使用此種 CPU 的電腦, 即稱為 n 位元的電腦 5. 前端匯流排的速度 : 前端匯流排 (FSB) 是 CPU 與北橋晶片間的系統匯流排,FSB 的速度越快,CPU 的效能越高 註 : CPU 的位元數, 早期常以資料匯流排的寬度來決定, 其實應該是以一般用途暫存器的位元數來衡量才精準 93 年統測試題曾過 "64 位元的 CPU 指的是哪一個匯流排為 64 條線?", 答案為資料匯流排, 此題敘述有爭議! 秒 測字組的長度是以哪一種暫存器的位元 (bit) 數來表示? 5-6
6. 指令集的採用 : 指令集是指 CPU 能執行的所有運算指令之組合 a. CISC( 複雜指令集 ): 內建的指令較多, 但 CPU 的電路設計較複雜, 因此指 令的執行速度較慢 ( 如 Intel Core i 系列的 CPU) b. RISC( 精簡指令集 ): 內建的指令較少, 但 CPU 的電路設計較簡單, 因此指 令的執行速度較快 ( 如 Apple 的 A 系列的 CPU); 當執行到非內建指令時, 因 需組合數個內建指令來完成該指令所要做的工作, 執行速度反而較 CISC 慢 種類 型號 表 單㆒指令長度 指令集數目 單㆒指令執行速度 CISC Intel Core i 系列 較長 ( 長度不一 ) 較多 較慢 RISC Apple A 系列 較短 ( 長度固定 ) 較少 較快 + ( C ). 由許多功能精簡的指令所組成且較容易最佳化的指令集為 (A)BUS (B)AWK (C)RISC (D)CISC [95 工業設計 ] ( C )2. 一部 64 位元電腦的字組 (Word) 長度為 (A)64Bytes (B)6Bytes (C)8Bytes (D)4Bytes [92 二技 ] ( A )3. 有關 CPU 的描述, 下列何者有誤? (A) 個人電腦的 CPU 一定是 6 位元 (B)CPU 中具有儲存資料能力的是暫存器 (C) 一部電腦中可以有二個以上的 CPU (D) 一部電腦的執行速度主要是由 CPU 的處理速度決定 [ 丙級軟體應用 ] ( A )4. 所謂的 64 位元電腦是指下列何者的位元數為 64 位元 (A) 一般用途暫存器 (B) 位址匯流排 (C) 控制匯流排 (D) 電源供應 ( B )5. 下列何者不是影響 CPU 執行效能的因素? (A)CPU 內部所採用的指令集架構 (B) 硬碟的容量 (C) 快取記憶體的容量 (D)CPU 的位元數 ( B )6. 下列哪一個因素, 最不可能會影響 CPU 的執行速度? (A)FSB 的速度 (B)CPU 的包裝方式 (C) 核心數 (D) 字組的長度 答. C 2. C 3. A 4. A 5. B 6. B 解 2. 64 位元的電腦, 其 CPU 的字組長度為 64bits( 位元 ) 由於 8bits = byte, 故 64bits = 8bytes( 位元組 ) 3. CPU 有許多不同的規格, 依其一般用途暫存器的位元數可區分為 6 位元 32 位元 64 位元, 並非全為 6 位元 5-7
MENU 計算機概論 B 總複習 ( 上 ) 時事生活題 ( D ). 賣場某部筆記型電腦的 CPU 規格為 AMD AM3 Phenom II X4 965 3.4G, 下列有關該款 CPU 的敘述何者正確? (A) 製作廠商為 Intel (B)AMD 表示專用於筆記型電腦的 CPU (C)3.4G 表示執行一個指令需要 3.4 奈秒 (D)X4 表示該款 CPU 為四核心 ( D )2. 育哲想要自行組裝一台電腦, 處理器的速度是他首要量, 下列有關 CPU 的敘述何者有誤? (A)Intel 和 AMD 都是 CPU 的製造廠商 (B)GHz 是衡量 CPU 速度的單位 (C) 核心數越多理論上執行速度越快 (D)CPU 規格中的速率是指前端匯流排速率 5- 精選試題 ( B )3. 電腦的中央處理單元 (CPU) 包括控制單元 算術及邏輯單元及 (A) 輸入單元 (B) 記憶單元 (C)I/O 單元 (D) 輸出單元 [98 商業類 ] ( B )4. 個人電腦之中央處理器內部, 用來存放目前正在執行的指令或資料, 其稱之為? (A) 磁碟機 (B) 暫存器 (C) 唯讀記憶體 (D) 主記憶體 [97 工業設計 ] ( B )5. 中央處理單元 (CPU) 內部的 ALU, 其功能是 (A) 執行資料傳輸 (B) 執行加法 減法與邏輯運算 (C) 執行中斷程式 (D) 執行控制作業 [97 衛生計概 ] ( B )6. 可反應微處理機運算狀態或改變微處理機操作模式的暫存器是? (A) 累加器 (Accumulator) (B) 旗標暫存器 (Flag Register) (C) 指令暫存器 (Instruction Register) (D) 程式計數器 (Program Counter) [96 電子計概 ] ( B )7. 下列哪些單元不屬於電腦系統中央處理器 (CPU) 部分? (A) 暫存器 (register) (B)RAM (C) 算術邏輯單元 (ALU) (D) 控制單元 (CU) [94 商業語文 ] ( C )8. 下列對 CPU 的敘述何者不正確 (A)CPU 內含有記憶單元 (B)CPU 是屬於硬體 (C)CPU 內含有應用程式 (D)CPU 內含算術邏輯單元 [ 教育視導 ] ( D )9. 程式計數器 (Program Counter) 的作用為何? (A) 存放錯誤指令的個數 (B) 存放資料處理的結果 (C) 存放程式指令 (D) 存放下一個要被執行的指令位址 ( B )0. 在電腦雜誌中, 常見的 cache memory 指的是下列何者? (A) 暫存器 (B) 快取記憶體 (C) 中央處理器 (D) 控制單元 ( A ). 下列何者是中央處理單元中用來存放常用的指令或資料? (A) 快取記憶體 (B) 算術邏輯單元 (C) 控制單元 (D) 暫存器 [ 丙級軟體應用 ] ( B )2. 下列哪一種暫存器, 是用來暫存正在執行中的指令? (A) 位址暫存器 (B) 指令暫存器 (C) 旗標暫存器 (D) 程式計數器 5-8
( C )3. 下列有關暫存器 (Register) 的敘述, 何者錯誤? (A) 暫存器是 CPU 暫存資料的地方 (B)CPU 對暫存器的存取速度比主記憶體快 (C) 暫存器的容量是無限的 (D)CPU 內有多種暫存器, 各有其不同的功能 5-2 5-3 5-4 ( C )4. 個人電腦中, 算術邏輯單元 (ALU) 之執行輸出結果通常放置於何處? (A) 指令暫存器 (IR) (B) 旗標暫存器 (FR) (C) 累加器 (accumulator) (D) 控制單元 (CU) ( A )5. 某處理器的外頻為 266MHz, 將倍頻設為 2.5, 這樣處理器的工作時脈可達多少? (A)3.3GHz (B).4GHz (C)2.6GHz (D)2.8GHz [0 商業競賽 ] ( A )6. 有關 CPU 的敘述, 下列何者錯誤? (A) 匯流排有資料匯流排及位址匯流排之分, 其寬度在同一 CPU 內一定相同 (B) 定址能力是指 CPU 能直接控制之主記憶體容量 (C) 暫存器是在 CPU 內部的記憶體, 其存取時間比主記憶體短 (D) 執行速度通常以 GHz 為衡量單位 ( B )7. CPU 運作的機器週期 (Machine Cycle) 中, 不包含下列哪一個步驟? (A) 擷取 (Fetch) (B) 編碼 (Encode) (C) 解碼 (Decode) (D) 執行 (Execute) [97 商業類 ] ( D )8. 假設某 CPU 之處理速度為 600MIPS(Million Instructions Per Second), 且執行一個指令平均花費 4 個時脈週期 (clock cycle), 試問此 CPU 之最低工作頻率為何? (A)25MHz (B)600MHz (C).3GHz (D)2.4GHz [96 二技 ] ( B )9. 假設一部時脈速度為 000MHz( megahertz) 的電腦且 CPI( clock cycle per instruction) 為 5, 則此部電腦的 MIPS(million instructions per second) 為多少? (A)00 (B)200 (C)000 (D)5000 [95 二技 ] ( A )20. 某個人電腦執行速度為 00MIPS, 執行 000 個指令共需多少時間? (A)0 微秒 (B)0 毫秒 (C)0 奈秒 (D)000 奈秒 [99 公務試 ] ( B )2. MIPS 為一種衡量電腦 CPU 之測量指標, 其中 I 代表 : (A) 資訊 (Information) (B) 指令 (Instruction) (C) 輸入 (Input) (D) 內部 (Internal) [93 公務初 ] ( C )22. CPU 執行一個指令的過程叫做機器週期, 以下哪一項工作是機器週期的第一個步驟? (A) 解碼 (B) 執行 (C) 擷取 (D) 儲存 ( B )23. CPU 的處理速度以 MIPS 為單位, 請問 MIPS 代表每秒執行幾個指令? (A) 一萬個 (B) 一百萬個 (C) 一千萬個 (D) 一億個 ( B )24. 64 位元 CPU 中的 64 位元, 指的是下列哪一項? (A) 可定址的主記憶體容量 (B)CPU 的字組長度 (C) 每秒可處理的資料量 (D)L 快取記憶體的位元數 [0 商業競賽 ] ( C )25. i-phone 上所使用 A5 CPU, 是使用下列哪一種指令集的微處理器? (A)x86 (B)IA-32 指令集 (C) 精簡 (D) 複雜 [0 商業競賽 ] 5-9
計算機概論 B 總複習 ( 上 ) ( B )26. 所謂 32 位元或 6 位元電腦, 是指中央處理器 (CPU) 中何種單元的長度? (A) 堆疊器 (stack) (B) 一般用途暫存器 (general purpose register) (C) 程式計數器 (program counter) (D) 算術邏輯單元 (ALU) ( D )27. 下列有關影響 CPU 執行效能的因素, 何者有誤? (A) 速率越高 CPU 的執行速度越快 (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 所採用的指令集不會影響 CPU 的效能 ( D )28. 有關電腦硬體的敘述, 下列何者是錯誤的? (A) 中央處理單元的英文簡稱為 CPU (B) 指令的解碼動作由控制單元負責 (C) 指令或資料儲存在記憶單元 (D) 雙核心 CPU 表示其字組的長度為 2bytes 5-0
答案 答案 & 詳解.D 2.D 3.B 4.B 5.B 6.B 7.B 8.C 9.D 0.B.A 2.B 3.C 4.C 5.A 6.A 7.B 8.D 9.B 20.A 2.B 22.C 23.B 24.B 25.C 26.B 27.D 28.D 詳解 3. CPU 內除了控制單元 算術及邏輯單元之外, 通常還包含有暫存器 快取記憶體等用來儲存指令或運算中的資料, 這些儲存資料的元件都屬於記憶單元 7. RAM 為主記憶體, 不屬於 CPU 的一部分 8. CPU 不含應用程式 9. 程式計數器 (PC) 是用以存放下一個要被執行的指令所在之記憶體位址 5. 時脈頻率 ( 即內頻 ) = 外頻 倍頻係數 = (266 0 6 ) 2.5 = 3.3GHz 6. 同一 CPU 內的資料匯流排及位址匯流排不一定相同 8. 執行一個指令的平均時間為秒 = 4 時脈週期, 所以時脈週期 = 600,000,000 秒 ; 由於時脈週期為時脈頻率的倒數, 因此時脈頻率為 2.4GHz 2,400,000,000 9. 時脈速度為 000MHz 的電腦, 時脈週期為,000 0 6 = 0-9 秒 ; 而 CPI 為 5 表示執行一個指令平均須花費 5 個時脈週期, 因此執行一個指令須花費 5 0-9 秒 ; 所以每秒可執行的指令數為 : 5 0-9 = 0.2 0 9 = 200 0 6, 即 200MIPS 20. 00MIPS 表示每秒執行 00 百萬個指令, 執行 個指令所需時間為 00 0 6 秒 ; 執行,000 個指令的時間為,000 00 0 = 0 6 0 = 0 6 0-6 = 0 微秒 28. CPU 字組的長度是由一般用途暫存器的位元數來決定 5-