1

Computer Hardware

2

內容

CPU Program Execution 測量 CPU 的速度 儲存體的基本認識

3

Computer System

輸入(input)

處理(processing)

輸出(output)儲存

(store)

4

CPU

5

CPU

將資料轉換成資訊 控制中心 執行儲存在記憶體中程式指令的一組電路 分成兩個主要部分

– 控制單元 (CU)– 算術邏輯單元 (ALU)

6

控制單元 CU (Control Unit)

硬體的一部分，負責控制 指示電腦系統執行程式指令 負責與硬體其它部分的溝通

7

算術邏輯單元ALU (Arithmetic / Logic Unit)

負責執行算術運算動作

負責執行邏輯運算動作

8

算術運算

加法減法乘法除法

9

邏輯運算 評估條件值 進行比較 可以比較

– 數字– 字母– 特別字元

10

暫存器 (Register)

各有特殊的用途速度快 是個暫時存放的地方 位於 CPU 中

指令暫存器儲存目前正在執行的指令

資料暫存器儲存正等著被處理的資料儲存處理過後的結果

缺點：非常貴

11

ALU

How to Work?

Control Unit

memory

registerregisterregister…

register抓取指令

存取資料

12

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

13

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

14

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

15

系統時鐘

系統時鐘以固定的速率製造脈波 每個脈波就是一個機器循環週期 一個程式指令可能是由一串給 CPU 的小指令所組成

每一個 CPU 指令至少必須要花一個脈波才能完成

每一種類型的 CPU 都有一組指令集 – 也就是它能了解與處理的指令

?

Not for VLIW

16

電腦運算速度

完成指令執行所需要的時間 千分之一秒 (Millisecond) 百萬分之一秒 (Microsecond) 十億分之一秒 (Nanosecond)

– 目前新型的電腦 兆分之一秒 (Picosecond)

– 未來的電腦

17

微處理器的速度

時鐘速度– 百萬赫茲 (Megahertz ， MHz) – 十億赫茲 (Gigahertz ， GHz)

每秒完成的指令個數– 每秒一百萬個指令 (MIPS)

電腦處理複雜數學計算的能力– 每秒一百萬個浮點運算 (Megaflop)

18

微處理器的速度 (cont’d)

通常用 clock cycle 表示 ( 時脈週期 ) 較準確的衡量可用 CPI (cycle / per instruction) Ex: CPU 2GHz (clock rate)

– 頻率： 2G cycles/sec– 週期： 0.5x10^-9 sec /cycle

=> 0.5 ns

19

太高的時脈週期有什麼問題？

太熱了… 有多熱？ CPU 煎蛋 散熱和風散是很重要的 超頻也有極限…

20

找一台體質優良的電腦

鍋子要準備好…

21

當然要加點食用油，以免沾 CPU面紙也是必備的喔

把 CPU 上面的風扇拿掉…

22

擺好你的鍋子，把電腦插上電，就可以開始煮了

很快，蛋就會熟了，記得要加調味料

23

可以廢物利用，但不要虐待電腦…

24

The Storage

ALUControl Unit

registerregisterregister…

register抓取指令

存取資料memory

25

為什麼需要儲存體？

處理器運算時– 暫時儲存資料的地方

即將被處理的資料 運算的結果

– 暫時存放程式 ( 指令 ) 的地方 關機後，資料將會消失

– 重要資料必須於關機前存放於磁碟中

registercache

main memory

FloppyHardisk

CD-R / DVD-R

26

儲存體的種類

輔助儲存體– 儲存以後要用到的資料– 長期儲存

記憶體– 儲存最近要使用的資料– 暫時儲存– 存取速度比輔助儲存體快

快取 cache 暫存器

– 儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料– 存取速度最快

27

在記憶體中尋找資料

記憶體中的每個位置都會被標示一個獨一無二的位址 (address)

– 位址不會改變– 內容可能會改變

每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料 程式設計師會使用符號位址

門牌號碼

28

Memory cells arranged by address

29

資料表示法開 /關 (On/Off)

使用二進位系統來表示電路的狀態

30

位元、位元組、字組 位元 (BIT)

– Binary DigIT– 電路開或關 (On/off)– 1 或 0

位元組 (BYTE)– 8 個 bit– 每一個位元組可儲存一個字元

字組 (WORD)– 暫存器的大小– CPU 在處理時當做一個單位的位元個數

31

The organization of a byte-size memory cell

32

Conclusion

CPU 包含– CU (Control Unit)– ALU (Arithmetic / Logic Unit)

記憶體利用位址來存取資料和指令 要愛惜你的電腦