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第 3 章 系統單元

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章節大綱

3-1 系統單元 3-2 中央處理器 (CPU)

3-3 CPU的設計架構與技術 3-4 記憶體 3-5 電腦與週邊通訊 3-6 輸入/輸出的定址方式 3-7 輸入/輸出介面

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3-1 系統單元 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CP

U) 與主記憶體兩個部分。

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Von Neumann 架構

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3-1 系統單元不同形式的系統單元。

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3-1 系統單元

機殼內的元件： 主機板 (motherboard) 電源供應器 (power suppl

y) 散熱風扇 (cooling fan) 固定架 (drive bay) 連接埠 (ports)

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COM, LPT, PS/2, USB, IEEE1394…

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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。

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3-2-1 控制單元 (CU)

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控制單元 (control unit) 是負責控制資料流向與指令流向的電路。

控制單元的製作方式有下列兩種：硬體電路控制 (hardwired control)微程式控制 (microprogrammed control)

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3-2-1 控制單元 (CU)

硬體電路控制 V.S. 微程式控制

優點 缺點

硬體電路控制 執行速度較快 成本較高 不易修改控制單元的設計 硬體設計較複雜

微程式控制 成本較低 容易修改控制單元的設計

硬體設計較簡單

執行速度較慢

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3-2-2 算術邏輯單元 (ALU)

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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 : Load, Store算術邏輯類型 : AND, OR, XOR, SHIFT, ROTATE 控制類型 : JUMP, BRANCH

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3-2-3 暫存器

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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。

暫存器通常分成兩大類，其一是程式設計人員能夠存取的可見暫存器，其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器。

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3-2-4 電腦的效能

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反應時間 (response time) 是一個工作從開始做到結束所花費的時間。

工作量 (throughput) 是在固定時間內所完成的工作。 CPU 時間 (CPU time) 是 CPU 執行一個程式所花費

的時間，不包括等待輸入 / 輸出或執行其它程式時間。 CPU 時脈週期 (CPU clock cycle) 是 CPU 執行一個

程式所花費的時脈週期。 CPU 時間 = CPU 時脈週期 * 時脈週期時間

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3-2-4 電腦的效能 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)( 表 3.3時間單位) 。

電腦的效能取決於時脈速度、 CPI (clock cycle per instruction) 和指令數目等因素。

除了 MHz 、 GHz 之外，電腦的速度也可以使用 MIPS 、MFLOPS 、 TPS 來描述。

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Example : P3-11

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3-2-4 電腦的效能

單位 簡寫 十進位 單位 簡寫 十進位

毫秒 (millisecond)

ms 10-3 皮秒 (picosecond)

ps 10-12

微秒 (microsecond)

μs 10-6 飛秒 (femtosecond)

fs 10-15

奈秒 (nanosecond)

ns 10-9 阿秒 (attosecond)

as 10-18

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時間單位

回3-2-4 電腦的效能

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外頻CPU 外部工作頻率， CPU 存取主記憶體的速度，單位為 MHz 。

倍頻CPU 核心所採用的頻率是外頻的倍數，倍頻。

內頻CPU 工作時所採用的頻率，倍頻乘上外頻。

3-2-5 CPU 相關規格

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3-2-5 CPU 相關規格 封裝： CPU 其實是一個

晶片 (chip) ，需要將它包裝起來以玆保護，並提供腳座與外界溝通，這個包裝的過程就叫做封裝。

封裝方式 l: DIP: 雙軸電晶組PGA: 點針矩陣FC-PGA: 反面點針矩陣SECC: 單緣接觸卡匣LGA: 平針矩陣

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3-2-5 CPU 相關規格 插槽腳位：插槽腳位決定

了 CPU 如何安插在主機板CPU 插槽，不同腳位有不同的插槽，針腳數目各異。

快取記憶體：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，又分為二至三種層次，稱為 L1 快取、 L2 快取、 L3 快取。

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3-2-5 CPU 相關規格 系統匯流排 : 傳送 CPU 與主記憶體之間的資料。 擴充匯流排 : 傳送 CPU 與週邊設備之間的資料。 匯流排寬度

匯流排 (bus) 是主機板上面的鍍銅電路。匯流排決定了電腦一次可以同時傳送多少位元，電路愈多，匯流排寬度 (bus width) 愈大，傳送速度愈快。

常用規格 : 16, 32, 64 位元

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3-2-5 CPU 相關規格字組大小：字組大小 (word size) 是 CPU 在固定

時間內能夠解譯並執行多少位元。相容性：由於不同的 CPU 各有唯一的指令集，因此，廠商在推出新的 CPU 晶片前，須考慮相容性 (compatibility) ，特別是新的晶片能否與舊的晶片具有向下相容性。

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課後自習 : P3-16 PC發展史

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3-2-6 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

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指令時間

執行時間

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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

回章節大綱回章節大綱 前往前往 3-43-4　記憶體　記憶體

CISC: Complex instruction set computing

RISC: Reduced instruction set computing

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3-3-1 　 CISC V.S. RISC

CISC V.S. RISC

優點 缺點

RISC 容易結合管線或超純量技術 指令集較精簡，容易學習 控制電路較簡單 通用暫存器數目較多

指令種類較少 定址模式較少 需要特殊的編譯器進行最佳化

CISC 指令種類較多 定址模式較多 不需要特殊的編譯器

無明顯的最佳化功能 指令集較複雜，不易學習 控制電路較複雜 通用暫存器數目較少

回章節大綱回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

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3-3-2 　管線 在執行一個指令的過程中， CPU 某個元件先完成

指令某部分，再由其它元件完成指令其它部　分。

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3-3-2 　管線

回章節大綱回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

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3-3-3 　超純量處理器 擁有多個相同元

件同時執行多個指令的處理器叫做超純量處理器（ superscalar processor）

回章節大綱回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

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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。

回章節大綱回章節大綱 回3-3 CPU的設計架構與技術

MIMD: Multiple-instruction stream, multiple-data stream ( 平行處理方式 )

SIMD: Single-instruction stream, multiple-data stream ( 傳統處理方式 )

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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

回章節大綱回章節大綱 前往前往 3-53-5　電腦與週邊通訊　電腦與週邊通訊

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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 ) 。 RAM 又分成下列兩種：

DRAM (dynamic RAM ，動態隨機存取記憶體 ), 主記憶體SRAM (static RAM ，靜態隨機存取記憶體 ), 快取記憶體

ROM 又分成下列三種：PROM (programmable ROM) , 透過燒入器寫入資料EPROM (erasable PROM) , 透過紫外線寫入資料EEPROM (electronically EPROM) , 透過電流寫入資料

回章節大綱回章節大綱 回3-4　記憶體

RAM: random access memory

ROM: read only memory 課後自習 : P3-25 BIOS

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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)

回3-4　記憶體回章節大綱回章節大綱

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3-4-3 　主記憶體的定址方式 主記憶體由許多記憶體單元 (cell) 組成，不同機器可

能有不同數目的記憶體單元。 為了加以辨識，每個記憶體單元都有唯一位址（ addres

s），同時這些位址是從 0 開始，照順序編號。

回章節大綱回章節大綱 回3-4　記憶體

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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 (圖 ) ：資料線 (data line)位址線 (address line)控制線 (control line)

匯流排又分為下列兩種：系統匯流排擴充匯流排

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3-5 　電腦與週邊通訊PC 常見的擴充匯流排： 硬碟、軟碟與光碟控制介面 PS/2 埠 序列埠 (COM) 平行埠 (LPT) 內建音效晶片插槽 PCI-E

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3-5 　電腦與週邊通訊PC 常見的擴充匯流排： USB IEEE 1394 紅外線傳輸埠 (IrDA)

IrDA Data IrDA Control

其它擴充插槽 顯示器插槽、網路卡插槽、 SCSI 卡插槽、數據卡插槽、音效

卡插槽等擴充插槽

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網路卡 音效卡

回原章節

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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，每個週邊均有唯一位址。主記憶體與週邊使用不同之讀寫指令。

3-6-2　記憶體映射 I/O在記憶體映射 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。主記憶體與週邊使用相同之讀寫指令。

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隔離 I/O

回原章節

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記憶體映射 I/O

回原章節

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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。

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輸入 / 輸出介面

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3-7-1 　程式控制 I/O

程式控制 I/O（ program-controlled I/O）又稱為輪詢式 I/O（ polling I/O），當 CPU 與週邊傳送資料時， CPU必須一直詢問輸入 / 輸出介面，才能掌握週邊的狀態，無法執行其它工作（圖）。

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39回原章節

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3-7-2 　中斷式 I/O

在中斷式 I/O（ interrupt-driven I/O）中， CPU會先通知週邊即將開始傳送資料，之後便執行其它工作，待資料傳送完畢後，週邊會發出中斷要求（ interrupt request） 通知 CPU ，一旦 CPU收到中斷要求，就會暫時停止目前正在執行的工作，改去執行中斷要求所指定的工作（圖）。

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3-7-3 　直接記憶體存取 (DMA)

為減少 CPU 負荷，當主記憶體與週邊間要傳送資料時， CPU只要將傳送類型、位址、資料的位元組數目等訊息通知 DMA ，就可以執行其它工作，由 DMA直接向週邊取得資料，傳送給主記憶體，不再打擾 CPU ，電腦效能自然提昇 （圖）。

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