資處科 吳小純 老師

計算機概論（Ⅰ）

單元名稱： CPU的認識與解析

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CPU 的意義與重要性。CPU 的歷史。CPU 的組成。CPU→ 微處理機。CPU 如何運作溝通。 CPU 的內部暫存器。CPU 的位址線與定址能力 。CPU 的工作時脈與執行速度。CPU 的性能評比。

認識什麼？

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CPU 的意義與重要性：

CPU 是 Central Processing Unit 「中央處理器」之簡稱，它是使整部電腦能夠運作的最核心、最重要的元件。號稱電腦的心臟， 其作用就是當電腦系統開始運作時， CPU 從記憶體內，讀取操作它的軟體的指令與資料，透過 ALU 運算出結果後存回記憶體，同時由主機板，與外界的 I/O 週邊溝通，達到資料處理的目的。

電腦的心臟電腦的心臟

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CPU的歷史。

1978 年 ， 美 國 Intel 公 司 首 次 生 產 出 16 位 的 微 處 理 器 ， 並 命 名 為 i8086 。 以 後 ， Intel 陸 續 生 產 出 更 先 進 和 更 快 速 的 新 型 CPU ， 這 些 新 型 的 CPU 都 兼 容 原 來 的 x86 指 令 集 ， 被 稱 為 「 x86 系 列 CPU 」 。

從 1981 年個人電腦 (Personal Computer) 興起至今，已經有十六、七年歷史了，而 PC的 CPU 也經過數個世代的演進：

第一代 8086 、 8088 、 AT/XT

第二代 80286

第三代 80386

第四代 80486

第五代 Pentium 、 Pentium MMX 、 AMD K5/K6 、 Cyrix 6x86 MX

第六代 Pentium Pro 、 Pentium Ⅱ、 Celeron 、 AMD K6-2 、 Cyrix M2 、

第七代 Intel Merced 、 AMD K7 、 IDT WinChip-3

 

 

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CPU 的組成

CPU 為控制整部電腦運作的中心樞紐，其內部包括控制單元、算術及邏輯單元、暫存器或記憶單元。

算術及邏輯運算單元 (ALU) ：加、減、乘、除及比 較、選擇、判斷等運算。

控制單元 (CU) ：翻譯程式中的指令的解碼功能及協調控制各部門依指令執行使電腦自動化處理資料。

記憶單元（ MU ）：儲存目前正要被處理運算的程式或資料，容量以 KB 為單位。

暫存器 (Register) ：暫時儲存資料，如用來儲存運算的累積器。其功能與記憶體相似 。

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ALU算術邏輯單元

CU控制單元

MU記憶單元輸入單元 輸出單元

中央處理單元 CPU

由 CU 、 ALU 及 MU 所組成的中央處理單元

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CPU→ 微處理機

在以前中、大型電腦時期 , 它們電腦的 CPU , 通常是一塊由數十、數百個 IC 所組 成的電路版 , 後來有廠商將這個部份 , 運用 VLSI 大型積體電路的技術 , 濃縮成一顆 IC 晶片。也有人稱這種 CPU 晶片為微處理機 (MicroProcessor), 微處理機的應用範圍就 廣多了 , 事實上除了個人電腦之外 , 在一般自動化控制的領域 , 都是微處理機的天下 。我們可以將要控制的程序寫到 ROM 裡面 , 然後借助微處理機來運作。

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CPU 如何運作溝通

它是透過一種叫匯流排 (Bus) 來傳 輸資料。匯流排可說是 CPU 、記憶體與 I/O 裝置的訊號傳遞的共同通道。一次只能有 一個裝置去使用匯流排 , 所以當同時有兩個以上的裝置使用時 , 必須由主機板上的 I/O 控制電路加以協調 , 先將優先權較高的裝置使用 ; 等該裝置使用完畢後 , 才輪到 其他裝置使用。

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ROM RAM I/O 週邊裝置

I／ O 控制電路或晶片組

CPU 匯流排（ Bus ）

CPU 透過匯流排列（ Bus ）來傳輸資料

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CPU 上的公路

1. 位址匯流排（ Address Bus ）：負責傳送 CPU 所要存取資料的位址，它可以決定 CPU 所能處理的記憶體容量，Ｎ條位址線可以擁有 2 的 N 次方的記憶空間，而其位址為 0 至 2 的 N 次方來減 1 。

2. 資料匯流排（ Data Bus ）：負責傳送 CPU 所要存取的資料，其線數的多少代表 CPU 的字組 Word ，亦即 CPU 一次所能存取資料的基本單位，常稱 N 位元 CPU亦就是此 CPU 有 N條資料線。

3. 控制匯流排（ Control Bus ）：負責傳送 CPU 所發出的控制訊號。

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CPU 的位址線與定址能力

CPU 的位址線數目 , 決定它選取記憶體的能力。 CPU 定址能力 , 可以透過 CPU 的 位址線計算出來。像 8086/8088 有 20條位址線 , 所以能選取 220 =1,048,576Bytes =1MB 的記憶體。

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位址線數目 定址空間

8086/88

80286

80386SX

80386DX

80486SX/DX

Pentium

20

24

24

32

32

32

1MB=1024k

16MB=16,384k

16MB=16,384k

4GB=4096MB

4GB=4096MB

4GB=4096MB

Intel X86 家族 CPU 與定址空間的演進

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CPU 的內部暫存器

CPU 利用暫存器 (Register) 來指示程式 執行流程 , 追蹤並記錄程式的運算結果。一個典型的 CPU , 最少有下列暫存器： @累加器 (Accumulator) ： 它負責讀取運算元做運算 , 並且將結果轉移到其它暫存器或記憶體內。@程式計數器 PC (Program Counter) ：負責儲存 CPU下一次所要執行的記憶體位址。@指令暫存器 IR (Instruction Register) ：負責儲存 CPU 所要執行的指令。@堆疊指標器 SP (Stack Pointer) ：負責儲存 CPU 目前使用的堆疊位址。@位址暫存器 MAR ：負責儲存 CPU 所要存取記憶體資料的位址。

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CPU 的速度

指內部處理指令的頻率，也就是時脈，單位為MHZ 或 GHZ 。

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CPU 的性能評比

衡量 CPU 的性能有下列幾項

1. 內部運算架構 (Architexture)

2. 位元處理能力

3. 記憶體容量

4. 工作時脈 (clock)

5.IC製程