3 CHAPTER 計算機組織 3- 中央處理器 3-2 主記憶體 3-3 執行程式 3-4 匯流排及介面 3-5 輸出入周邊設備 3-6 儲存裝置 電腦基礎元件真空管 電晶體 積體電路 超大型積體電路 計算機概論 2 三大電腦展 三大電腦展 德國漢諾威電腦展 (CeBIT; 每年三月舉行 ) 台北國際電腦展 (COMPUTEX TAIPEI; 每年六月舉行 ) 計算機概論 3 計算機概論 4
三大電腦展 美國拉斯維加斯秋季電腦展 (COMDEX FALL; 每年秋季舉行 ) 各類型電腦 桌上型電腦 (Desktop) 筆記型電腦 (Laptop;Notebook) 平板電腦 (Tablet PC) 計算機概論 5 計算機概論 6 3C 整合 Computer( 電腦 ) Communication( 通訊 ) Consumer electronics( 消費性電子產品 ) 計算機概論 7 計算機概論 8
當代計算機的通用架構 馮紐曼模式 (von Neumann Model, 945) 最主要的精神在於 儲存程式 (stored program) 的概念記憶體 (Memory) 輸入鍵盤滑鼠掃描器 算術還輯單元 (Arithmetic Logic Unit) 輸出螢幕印表機 馮紐曼模式 控制單元 (Control Unit) 中央處理器 (Central Processing Unit;CPU) 計算機概論 9 計算機概論 計算機概論 計算機概論 2
3- 中央處理器 Intel Pentium 4 計算機概論 3 計算機概論 4 邏輯運算 微處理器發展簡史 (I) AND x y x AND y OR x y x OR y XOR x y x XOR y Not x Not x 續下頁 計算機概論 5 計算機概論 6
微處理器發展簡史 (II) 3-2 主記憶體 計算機概論 7 計算機概論 8 位址和值 主記憶體類別 RAM(Random Access Memory; 隨機存取記憶體 ) SRAM(Static RAM; 靜態隨機存取記憶體 ) DRAM(Dynamic RAM; 動態隨機存取記憶體 ) ROM(Read-Only Memory; 唯讀記憶體 ) PROM(Programmable ROM; 可程式的唯讀記憶體 ) EPROM(Erasable Programmable ROM; 可用紫外線擦拭及可程式的唯讀記憶體 ) EEPROM(Electronically Erasable Programmable ROM; 可電子擦拭及可程式的唯讀記憶體 ) 計算機概論 9 計算機概論 2
3-3 執行程式 CPU 如何執行程式 執行指令 擷取指令 解碼指令 每一條指令都經過四個步驟 機器循環週期 : 執行一條指令所需要的時間量 擷取 執行和儲存運算動作所需要的時間 個人電腦可以在不到百萬分之一秒的時間完成 超級電腦則不到兆分之一秒 系統時鐘 (system clock) 讓電腦所有的運作同步 每種 CPU 都有它自己的指令集 CPU 所能了解和執行的那些指令 計算機概論 2 計算機概論 22 CPU 如何執行程式 機器循環週期 = I-time + E-time 指令時間 (Instruction-Time): 需要的資料和指令需先存入記憶體中. 控制單元從記憶體中擷取指令放至 暫存器 2. 控制單元將此指令解碼 ( 辨識此指令 ), 並決定所需資料在記憶體的位置 執行時間 (Execution-Time) 3. 控制單元將資料從記憶體搬至算術邏輯單元內的暫存器中, 由 ALU 執行算術或邏輯指令 4. 控制單元將運算結果儲存在記憶體或暫存器 計算機概論 23 計算機概論 24
生產線技術 (pipelining) 運算處理的種類 擷取指令 解碼指令 擷取指令 2 執行指令 解碼指令 2 擷取指令 3 執行指令 2 解碼指令 3 執行指令 3 完成指令 完成指令 2 完成指令 3 時間 循序處理 (sequential) 每次只執行一項指令 擷取 解碼 執行 儲存 管線處理 (pipelining) 擷取 解碼 執行 儲存等指令的動作並不需要在下一個指令開始運作前完成 當指令 正在解碼的同時就擷取指令 2 平行處理 (parallel processing) 同一時間有多個處理器同時工作 有能力處理每秒鐘數兆個浮點數運算指令 例如網路伺服器與超級電腦 計算機概論 25 計算機概論 26 平行處理 運算處理的種類 pipelining 計算機概論 27 計算機概論 28
3-4 匯流排及介面 系統匯流排 負責 CPU 與記憶體間的資料傳送 擴充匯流排 保留一些連接給使用者彈性使用 主機組裝教學動畫 ISA PCI AGP 及 PCI Express 在 8 年代, 最當紅的高速匯流排是 ISA(Industry Standard Architecture), 它的傳輸速率每秒只有 8.33Mb 9 年代,PCI(Peripheral Component Interconnect) 的每秒 33Mb 繪圖卡等須高速運作的多採用 AGP, 它每秒可傳輸 2.Gb 現在走紅的是 PCI Express, 它也稱為 3GIO PCI Express 的傳輸速率為每秒 2.5Gb~8Gb (PCI-E 6X 8Gb) 計算機概論 29 計算機概論 3 USB USB(Universal Serial Bus; 通用序列匯流排 ) 是 USB Implementers Forum 所開發的連線規格 針對電腦的外接周邊設備 ( 鍵盤 滑鼠 遊戲控制器 攝影機 儲存裝置 掃描器和其他周邊 ) 所設計, 讓使用者安裝特定裝置時, 能夠省去開啟電腦機箱及重開機的麻煩, 隨插即用 為一般使用者提供了操作簡便 擴充性和快速等優點 USB 2. 傳輸速度最高每秒可達 48Mb; USB 3. 每秒傳輸速度達 4.8Gb 計算機概論 3 IEEE 394 IEEE 394 一種高速序列匯流排的公定標準 Apple 將此種匯流排命名為 Sony 稱它為 提供隨插即用的功能, 提供個人電腦相容性的延伸介面, 它具有保證頻寬的傳輸模式, 適用於消費性電子聲訊 / 視訊產品 儲存周邊及可攜式裝置 IEEE 394 的資料傳輸速度是每秒 4Mb, 新的 IEEE 394b 規格, 傳輸速度高達每秒 3.2Gb 數位錄影機常用 USB 目前在 PC 較佔上風 FireWire i.link 計算機概論 32
3-5 輸出入周邊設備 鍵盤 輔助我們將訊息輸入電腦的重要輸入設備, 它的字符位置和打字機類似, 它與主機板連接的界面規格主要為 PS2 及 USB 計算機概論 33 計算機概論 34 滑鼠 輔助我們將訊息輸入電腦的重要輸入設備, 它與主機板連接的界面規格主要為 : PS2 USB 無線連接 種類非常的多 : 二鍵 三鍵 二鍵加小滾輪 ( 可方便瀏覽超過顯示範圍的頁面 ) 軌跡球式的滑鼠 光學滑鼠 掃描器 掃描的文件以數位影像格式儲存 儲存的檔案格式有 : TIFF BMP GIF PCX 掃描器的解析度以掃描時每英吋的取樣點數 (dpi;dot per inch) 表示 掃描器原理動畫 計算機概論 35 計算機概論 36
螢幕 又稱顯示器 (monitor), 是電腦最主要的輸出設備 傳統的螢幕為陰極射線映像管顯示器 (CRT; Cathode Ray Tube), 既粗大又笨重, 已快速地被既輕且薄的液晶螢幕 (LCD;Liquid Crystal Display) 所取代 印表機 重要的輸出周邊設備, 它的解析度以印出時每英吋的列印點數 (dpi;dot per inch) 表示 噴墨 / 雷射印表機原理動畫 計算機概論 37 計算機概論 38 3-6 儲存裝置 硬碟 硬碟磁帶軟式磁碟片 Zip MO 光碟片記憶卡隨身碟可攜式硬碟 硬碟 (Hard Disk) 是電腦儲存資料最重要的地方, 它的內部有 : 圓形碟片 程式及資料平時通常放在硬碟, 執行時才從硬碟載入主記憶體, 因此它是極為重要的儲存設備, 平時最好就做備份 讀寫頭 計算機概論 39 計算機概論 4
量通常較磁帶 軟式磁碟片 Zip 及 MO 磁帶通常用來做備份, 主要是因為磁帶通常比硬碟的容量要大許多 現在的磁帶備份的資料動輒以 TB(Tera Byte; 兆位元組 ) 計 備份的另一種選擇是使用 RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks) 磁碟陣列 軟式磁碟片曾是九十年代最主要的可攜式儲存媒介 Zip(IOMEGA 於 995 年推出 ) 及 MO(Magnet Optical Disk;SONY 於 988 年推出 ) 是九十年代頗受歡迎的大量資料之可攜式儲存媒介 計算機概論 4 光碟片 新力 (Sony) 和飛利浦 (Philips) 在八十年代初期推出了 CD-ROM CD 光碟片的儲存容量為 65MB DVD(Digital Versatile Disk) 單面單層可儲存 4.7GB 最高可儲存雙面雙層達 7GB 之多 CD 系列 (CD-ROM CR-R CR-RW 或 VCD) 的存取速度時, 單倍速為每秒 5KB DVD 系列 (DVD-ROM DVD-R DVD-RW 或 DVD-Video) 的存取速度時, 單倍速為每秒約 35KB 計算機概論 42 記憶卡 數位相機 PDA 等都利用這種輕薄的記憶裝置儲存資料, 它的種類繁多 CF(Compact Flash) SM(Smart Media) SD(Secure Digital) MMC(Multi Media Card) MS(Memory Stick) xd micro SD 記容微型硬碟 (MD) 憶卡 縮小版的硬碟高 一般家用電腦使用的是 3.5 吋硬碟一 筆記型通常用比較小的 2.5 吋硬碟個 而 MD 小到連 吋都不到 等級計算機概論 43 計算機概論 44
多合一的讀卡機 隨身碟 大拇哥 可同時讀取多種不同的記憶卡 隨身碟 (Flash Disk) 又稱意即和大拇指大小差不多 透過 USB 埠可以連到電腦上, 進行存取動作, 相當方便 容量已可達 GB 造型花樣百出 計算機概論 45 計算機概論 46 複合式隨身碟兼具收錄音及 MP3 等功能 計算機概論 47 可攜式硬碟 USB 外接硬碟, 它是一種體積小且重量輕的攜帶式儲存裝置 大約只有手掌般的大小, 而且具有 USB 連接線即插即用的功能, 可輕易地與個人電腦相連接, 安裝極為便捷 雖然較隨身碟大一些, 但容量可達上百 GB, 甚至 TB, 是須攜帶大量資料人士的最愛 計算機概論 48
Traditional Hard Disk Drive (left) and Solid-State Drive (right) Source: Wikipedia 計算機概論 49