CH

APTER 5

計算機組織

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-2

5-1 系統單元

系統單元（system unit）包含中央處理器（CPU，central processing unit）與主記憶

體（main memory）兩個部分，前者可以執行指令或程式，將從輸入裝置（input

device）所取得的資料處理成結果；後者可以暫時存放 CPU進行運算時所需

要的資料或程式，或暫時存放 CPU處理完畢的結果，再將結果傳送到輸出裝

置（output device）。由於主記憶體只能暫時存放資料，因此，電腦還需要儲存裝

置（secondary storage）來存放資料（圖 5.1）。

�圖 5.1 電腦的組成元件

系統單元是位於一個盒狀、塑膠或金屬材質的機殼（case），大部分電子元件及儲

存裝置是放在機殼內，而諸如鍵盤、滑鼠、螢幕、印表機、喇叭等輸入 /輸出裝置

則是放在機殼外，透過纜線或紅外線、無線電、藍芽等無線介面與機殼連接，統稱

為週邊（peripheral）。

機殼的作用除了放置電子元件之外，也同時兼負起保護電子元件及散熱的責任，因

此，機殼不僅要外型美觀，更要具備拆卸容易、材質輕巧、散熱性佳、擴充性高等

優點。

機殼內有一片綠、黃、紅或黑色的印刷電路板（PCB，printed circuit board，不同染

料所致），這是主機板（motherboard），上面搭載了 CPU插槽、主記憶體插槽、介

面卡擴充槽（ISA、PCI、AGP、PCI-E⋯）、週邊插槽（序列埠、平行埠、PS/2、

USB、IEEE 1394、IDE、SATA⋯）、晶片組、BIOS、CMOS、時脈產生器等元

件（圖 5.2）。

5-3

計算機組織

�圖 5.2 主機板

1

101112

14 1315

2 3

4 5

7

6

8

9

1 PS/2滑鼠插槽（綠色）：用來連接 PS/2滑鼠

2 PS/2鍵盤插槽（紫色）用來連接 PS/2鍵盤

3 平行埠（粉紅色）：用來連接印表機、掃描器等週邊

4 USB埠：用來連接印表機、掃描器、數位相機、滑鼠、鍵盤等週邊

5 RJ-45插槽：用來連接乙太網路線

6 內建立體音效插孔

7 PCI-E匯流排：用來連接顯示卡等介面卡

8 PCI匯流排：用來連接音效卡、網路卡、數據卡等介面卡

9 SATA插槽：用來連接硬碟

10 IDE插槽：用來連接光碟機、硬碟等儲存裝置

11 軟碟機插槽：用來連接軟碟

12 南橋晶片組：負責處理與輸入 /輸出相關的動作，速度較慢

13 北橋晶片組：負責處理 CPU與主記憶體及 CPU與匯流排的訊號，速度較快

14 主記憶體插槽：用來安插主記憶體（此為 DDR2 SDRAM）

15 CPU插槽：用來安插 CPU

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-4

5-2 中央處理器（CPU）

CPU（central processing unit）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），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（圖 5.3）。

�圖 5.3 CPU 的組成元件

表 5.1是一些知名的 CPU，其中 Celeron、Duron、Sempron應用於低價桌上型 PC，

Pentium 4、Core 2、Athlon XP、Athlon 64、Phenom應用於高價桌上型 PC，Xeon、

Itanium、Opteron應用於伺服器。值得一提的是 G5、Itanium、P4XE/P4PXE/P4EE、

Core 2、Athlon 64、Opteron、Phenom已經從行之數年的 32位元 PC微處理器演進

為 64位元 PC微處理器，而且 Core 2和 Phenom屬於多核心 PC微處理器。

�表 5.1 知名的 CPU

公司 CPU

Compaq Alpha （應用於高階伺服器與工作站）

Sun SPARC （應用於高階伺服器與工作站）

Apple/

Motorola/

IBM

PowerPC （G3、G4、G5）（應用於 Apple PowerMac）

Intel

˙ 8088、80286、80386、80486、Pentium （奔騰）、Pentium Pro、Pentium II、

Pentium !!!、Xeon、Celeron （賽揚）、Celeron D、Pentium 4、Itanium （安騰）、

P4XE/P4PXE/P4EE、Core 2 （應用於桌上型 PC）

˙ Pentium M、Celeron M、Mobile Pentium 4-M （應用於筆記型電腦）

AMD

˙ K5、K6、K6-II、K6-III、Duron （杜龍）、Athlon （K7速龍）、Athlon XP、

Sempron、Athlon 64、Opteron （K8）、Phenom （K10） （應用於桌上型 PC）

˙ Mobile Athlon 64、Mobile Athlon XP-M （應用於筆記型電腦）

VIA C3、Antaur （漢騰）、Esther （應用於筆記型電腦）

5-5

計算機組織

�圖 5.4

（a）AMD Opteron （b）Intel Itanium

5-2-1 控制單元 （CU）

控制單元（control unit）是負責控制資料流與指令流的電路，它可以讀取並解譯指

令，然後產生訊號控制算術邏輯單元、暫存器等 CPU內部的元件完成工作。控制

單元的製作方式有下列兩種：

硬體電路控制 � （hardwired control）：這是以有限狀態機（finite state machine）

來描述每個指令的分解動作，每個指令都有一組對應的邏輯電路，優點是執行

速度較快，缺點是一旦指令的數目或內容改變，必須重新設計邏輯電路。

微程式控制 � （microprogrammed control）：這是以微程式（microprogram）來描

述每個指令的分解動作，而微程式又是由多個微指令（microcode）所組成，

真正對應到邏輯電路的是微指令。這種製作方式的執行速度雖然較慢，可是

一旦指令的數目或內容改變，只要修改微程式，無須重新設計邏輯電路，因

此，微程式通常是存放在能夠重複寫入資料的 EEPROM或快閃記憶體。

�表 5.2 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

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-6

5-2-2 算術邏輯單元 （ALU）

算術邏輯單元（arithmetic/logic unit）是負責算術運算與邏輯運算的電路，既然提

到了運算，就不能不介紹機器指令（machine instruction），其類型如下：

資料傳送類型 � ：這種類型的指令可以將資料從某處複製或搬移至它處，比方

說，將存放在記憶體單元的資料載入暫存器的指令通常叫做 LOAD，而將存放

在暫存器的指令儲存到記憶體單元的指令通常叫做 STORE。

算術邏輯類型 � ：這種類型的指令除了可以進行加、減、乘、除等算術運算之

外，還可以進行 AND（位元交集）、OR（位元聯集）、XOR（位元互斥）、

SHIFT（位元平移）、ROTATE（位元旋轉）等邏輯運算。

以 AND運算為例，只有在兩個運算元均為 1的情況下，結果才會等於

1，AND運算可以用來做為遮罩（mask），舉例來說，假設位元字串為

11010101，而我們想取得右邊四個位元，那麼只要將該位元字串和 00001111

進行 AND運算，就能遮罩掉左邊四個位元，得到結果為 00000101。

以 OR運算為例，只有在兩個運算元均為 0的情況下，結果才會等於 0，OR

運算也可以用來做為遮罩，但和 AND運算不同的是被遮罩掉的位元會全部為

1，舉例來說，假設位元字串為 11010101，而我們想取得右邊四個位元，那麼

只要將該位元字串和 11110000進行 OR運算，就能遮罩掉左邊四個位元，得

到結果為 11110101。

控制類型 � ：這種類型的指令是指示程式的執行，而非進行運算，例如 JUMP或

BRANCH指令可以讓程式在執行到某個步驟時，有條件或無條件跳躍至其它

步驟。

5-2-3 暫存器

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。當 CPU要進行運算時，控制單元會先讀取並解

譯指令，將資料存放在暫存器，然後啟動算術邏輯單元，令它針對暫存器內的資料

進行運算，完畢後再將結果存放在暫存器。

要注意的是暫存器和主記憶體不同，暫存器位於 CPU內部，主記憶體位於 CPU外

部，中間透過匯流排來存取，匯流排（bus）是主機板上面的鍍銅電路，負責傳送

電腦內部的電子訊號。

5-7

計算機組織

暫存器的速度較快、容量較小、所存放的是目前正在進行運算的資料或目前正好運

算完畢的資料，而主記憶體的速度較慢、容量較大、所存放的是 CPU進行運算時

所需要的資料或程式，或 CPU處理完畢的結果。

暫存器通常分成兩類，其一是程式設計人員能夠存取的可見暫存器（user visible

register），其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器（control and status

register）。

可見暫存器又分成下列幾種：

通用暫存器 � （general purpose register）：用來存放資料、指令或位址，數目愈

多，表示 CPU的執行效率愈佳，成本也愈高。

資料暫存器 � （data register）：用來存放資料。

位址暫存器 � （address register）：用來存放位址，例如記錄堆疊頂端位址的堆疊

指標暫存器、記錄陣列等連續記憶體空間位址的索引暫存器、記錄程式或資料

在記憶體空間之起始位址的基底暫存器。

條件碼暫存器 � （condition code register）：用來存放指令執行的狀態，但此狀態

是由 CPU所寫入，程式設計人員只能加以讀取。

控制與狀態暫存器又分成下列幾種：

程式計數器 � （program counter）：用來存放下一個要執行的指令在主記憶體的

位址。

指令暫存器 � （instruction register）：用來存放最近從主記憶體讀取出來的指令。

記憶體位址暫存器 � （memory address register）：用來存放要存取的主記憶體

位址。

記憶體緩衝暫存器 � （memory buffer register）：用來存放從主記憶體讀取出來的

資料，或在 CPU將資料寫入主記憶體之前，暫時存放這些資料。

ALU緩衝暫存器 � （ALU buffer register）：用來存放 ALU的運算結果。

中斷向量暫存器 � （interrupt vector register）：用來記錄系統的向量式中斷。

程式狀態字組 � （program status word）：用來存放條件碼或狀態訊息，例如遮罩

位元、保護鑰（protected key）、中斷代碼（interrupt code）、中斷控制、正負符

號、溢位、使用者模式 /監督模式⋯。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-8

5-2-4 電腦的效能

我們可以由反應時間或工作量來評估電腦的效能，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）是在固定時間內所能

完成的工作，至於 CPU時間（CPU time）是 CPU執行一個程式所花費的時間，

不包括等待 I/O或執行其它程式的時間，而 CPU時脈週期（CPU clock cycle）是

CPU執行一個程式所花費的時脈週期。我們可以使用下列公式計算 CPU時間：

CPU時間 = CPU時脈週期 * 時脈週期時間

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），電腦就能完成少量工作。在過去，完成一個指令往往需要多個

時脈週期，但現在，一個時脈週期就能完成一或多個指令。

時脈速度（clock rate）指的是時脈計數的速度，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），時脈週期時間為時脈速度的倒

數，換言之，1MHz、1GHz對應的時脈週期時間為 10-6秒、10

-9秒（表 5.3）。

�表 5.3 時間單位

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

電腦的效能取決於時脈速度、CPI和指令數目等因素，其中 CPI（clock cycle

per instruction）是執行每個指令所需的時脈週期，會受到硬體架構和指令

集（instruction set）影響，指令數目是程式中的指令數目，會受到指令集和編譯程

式影響。

原則上，時脈速度愈快，表示效能愈佳，早期 XT電腦的時脈速度只有 4.77MHz，

而 Pentium 4電腦的時脈速度已經超過 3GHz。要注意的是時脈速度會受到硬體技

術和硬體架構影響，不同等級的電腦不能純粹以時脈速度來做比較，例如 Celeron

600MHz就不一定比 PowerPC G5 400MHz快，因為兩者的設計不同，Celeron為

CISC架構，而 PowerPC為 RISC架構。

5-9

計算機組織

由於 CPU可以工作在數種時脈速度下，但主機板無法自動得知 CPU的時脈速度好

加以配合，因此，主機板上面必須有一個時脈產生器（clock generator），藉由時脈

產生器的震盪輸出適當的脈衝，讓 CPU、主機板及匯流排的運作同步。

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

MIPS（million instructions per second）意指每秒鐘可以完成幾百萬個指令，適用於

PC、工作站或大型主機；MFLOPS（million floating operations per second）意指每

秒鐘可以完成幾百萬個浮點數運算，適用於需要大量浮點數運算的機器（例如超級

電腦）；TPS（transactions per second）意指每秒鐘可以完成幾個交易，適用於商業

交易機器。

範例 假設一部時脈速度為 100MHz的電腦執行 10,000,000個指令需要 0.25

秒，試問，這部電腦的 CPI是多少？

1. 計算電腦的時脈週期時間，即時脈速度的倒數，1 /（100 * 106）= 10

-8秒。

2. 計算執行每個指令需要多少時間，即 0.25 / 107

= 2.5 * 10-8秒。

3. 計算執行每個指令需要多少時脈週期，即 2.5 * 10-8

/ 10-8

= 2.5，故 CPI為 2.5。

範例 以指令數目、時脈速度、CPI定義 CPU時間的公式。

CPU時間 = CPU時脈週期 * 時脈週期時間 =（指令數目 * CPI）/ 時脈速度

範例 以時脈速度、CPI定義MIPS的公式。

MIPS = 指令數目 /（CPU時間 * 106）

= 指令數目 / {[（指令數目 * CPI）/ 時脈速度）] * 106}

= 時脈速度 /（CPI * 106）

範例 假設有兩部指令集相同的電腦 A、B，其中 A的時脈週期時間為 10ns，

CPI為 2，B的時脈週期時間為 20ns，CPI為 1.5，試問，同一個程式在 A

執行較快？還是在 B執行較快？快多少？（假設程式中的指令數目為 N）

1. 計算 A的 CPU時脈週期，即 CPI * N = 2N。

2. 計算 B的 CPU時脈週期，即 CPI * N = 1.5N。

3. 計算 A的 CPU時間，即 CPU時脈週期 * 時脈週期時間 = 2N * 10 = 20N。

4. 計算 B的 CPU時間，即 CPU時脈週期 * 時脈週期時間 = 1.5N * 20 = 30N。

5. 得到 A的執行速度較快，而且是快了 30N / 20N = 1.5倍。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-10

5-2-5 CPU 相關規格

頻率

CPU外部的工作頻率稱為外頻，即 CPU存取主記憶體的速度，單位為MHz，例

如 800、1066、1333MHz，頻率愈高，表示速度愈快；CPU內部的工作頻率稱為

內頻，內頻通常是外頻的倍數，而此倍數稱為倍頻，例如 Pentium 4 640的內頻為

3.2GHz，外頻為 800MHz，故倍頻為 3.2GHz／ 800MHz = 4。

封裝

CPU是一個晶片，需要包裝起來以玆保護，並提供腳位與外界溝通，這就叫做

封裝。封裝方式有很多種，例如 DIP（dual inline package，雙軸電晶組）是由

兩列平行向下插的針腳所組成，PGA（pin grid array，點針矩陣）有更多針腳鑲

在晶片上，FC-PGA（flip chip PGA，反面點針矩陣）是將晶片放在針腳的另一

面，SECC（single edage contact cartridge，單緣接觸卡匣）是卡匣式外觀，而

LGA（land grid array，平針矩陣）是在 CPU平坦的接觸面上有許多訊號接觸點。

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。CPU在進行運算時會到主記憶體存取資料，雖然現階段主記憶

體的速度已經相當快（800MHz），但與 CPU的工作頻率動輒 GHz相比，仍落後

許多，因而在 CPU與主記憶體之間加入速度較快的快取記憶體，以存放最近存取

過或經常存取的資料，當 CPU需要資料時，就先到快取記憶體找，若找不到，才

要到主記憶體找，因此，快取命中率（cache hit）愈高，系統效能愈佳，快取失誤

率（cache miss）愈高，系統效能愈差。

快取記憶體又分為二至三種層次，L1快取（level 1 cache、internal cache）內建

於 CPU，存取速度快，容量小，約 64 ~ 512KB；L2快取（level 2 cache、external

cache）的存取速度較 L1快取慢，容量較 L1快取大，約 512KB ~ 4MB，早期是以

獨立晶片的形式安插在主機板，目前亦內建於 CPU；有些內建 L2快取的 CPU還

有 L3快取（level 3 cache），以獨立晶片的形式安插在主機板。

5-11

計算機組織

匯流排寬度

匯流排（bus）是主機板上面的鍍銅電路，其中系統匯流排（system bus）負責傳送

CPU與主記憶體之間的資料，擴充匯流排（expansion bus）負責傳送 CPU與週邊

之間的資料，如果沒有特別指明哪種匯流排，表示為系統匯流排。

匯流排決定了電腦一次可以同時傳送多少位元，電路愈多，表示匯流排寬度（bus

width）愈大，傳送速度愈快。匯流排寬度取決於 CPU的設計，例如 Motorola

68000、68020/68030、68040 CPU的匯流排寬度分別為 16、32、64位元。另外，

匯流排也和 CPU一樣有時脈速度，以MHz為單位，例如 800、1066、1333MHz。

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，所謂 8、

16、32或 64位元 CPU指的就是一次最多可以處理 8、16、32或 64位元的 CPU。

通常字組大小和匯流排寬度一致，但也有例外，例如 Intel Pentium的匯流排寬度為

64位元，但卻是 32位元 CPU，因為它一次最多可以處理 32位元。

目前 PC已經逐漸從 32位元 CPU和 32位元作業系統（Windows 9x/Me/XP/NT/

2000/Server 2003、Linux⋯），演進為 64位元 CPU和 64位元作業系統（Windows

Vista x64 Edition、Windows Server 2003 x64 Edition、Windows XP Professional x64

Edition、64-Bit Linux⋯）。

�表 5.4 PC 微處理器的匯流排寬度與字組大小

CPU 匯流排寬度 字組大小

8088 8bits 8bits

80286 16bits 16bits

80386 32bits 32bits

80486 32bits 32bits

Intel Pentium 64bits 32bits

Intel Pentium Pro/II/!!!/4、Xeon、Celeron、Celeron D 64bits 32bits

AMD Duron、Athlon、Athlon XP、Sempron 64bits 32bits

Intel Itanium、P4XE/P4PXE/P4EE、Core 2 64bits 64bits

AMD Athlon 64、Opteron （K8）、Phenom（K10） 64bits 64bits

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-12

5-2-6 機器語言

在說明程式如何執行之前，我們先來介紹何謂機器語言，機器語言（machine

language）是程式與電腦溝通的介面，定義了程式可以使用的指令與編碼方式，一

個機器指令（machine instruction）的編碼方式通常包含運算碼（op-code）和運算

元（operand）兩個部分，其中運算碼是這個指令所要進行的運算，運算元是這個

指令進行運算的對象。

為了讓您瞭解機器語言的運作原理，我們設計了一個如圖 5.5（a）的系統，這個系

統的中央處理器有十六個 2Bytes暫存器（編號為 R0、R1⋯、R9、RA⋯、RF）、

一個 2Bytes程式計數器和一個 4Bytes指令暫存器，主記憶體有 256個儲存單

元（位址為 00、01、02⋯、FF），程式計數器用來存放下一個要執行之指令在主記

憶體的位址，指令暫存器用來存放最近從主記憶體讀取出來的指令，同時我們也為

這個系統設計了八個指令（表 5.5），每個指令的長度為 2Bytes，前面 4個位元為運

算碼，後面 12個位元為運算元，如圖 5.5（b）所示。

�圖 5.5

（a）我們所設計的系統

（b）指令格式

5-13

計算機組織

�表 5.5 我們所設計的機器指令

運算碼 運算元 說明

1 RXYLOAD指令，將主記憶體位址 XY的資料載入暫存器 R，例如機器

指令 12A0是將主記憶體位址 A0的資料載入暫存器 R2。

2 RXYSTORE指令，將暫存器 R的資料儲存到主記憶體位址 XY，例如

機器指令 23A0是將暫存器 R3的資料儲存到主記憶體位址 A0。

3 RST

ADD指令，將暫存器 S的資料與暫存器 T的資料相加，再將結果

儲存到暫存器 R，例如機器指令 3456是將暫存器 R5的資料與暫存

器 R6的資料相加，再將結果儲存到暫存器 R4。

4 RST

OR指令，將暫存器 S的資料與暫存器 T的資料進行 OR運算，再

將結果儲存到暫存器 R，例如機器指令 4456是將暫存器 R5的資料

與暫存器 R6的資料進行 OR運算，再將結果儲存到暫存器 R4。

5 RST

AND指令，將暫存器 S的資料與暫存器 T的資料進行 AND運

算，再將結果儲存到暫存器 R，例如機器指令 5456是將暫存器 R5

的資料與暫存器 R6的資料進行 AND運算，再將結果儲存到暫存

器 R4。

6 RST

XOR指令，將暫存器 S的資料與暫存器 T的資料進行 XOR運算，

再將結果儲存到暫存器 R，例如機器指令 6456是將暫存器 R5的資

料與暫存器 R6的資料進行XOR運算，再將結果儲存到暫存器 R4。

7 RXY

JUMP指令，若暫存器 R的資料與暫存器 R0的資料相同，就跳到

主記憶體位址 XY去執行，否則依序執行，例如機器指令 72A0是

若暫存器 R2的資料與暫存器 R0的資料相同，就跳到主記憶體位

址 A0去執行，否則依序執行。

8 000 HALT指令，使程式暫停，例如機器指令 8000是將程式暫停。

有了機器指令後，我們可以來撰寫程式，下面是一個例子。

11BA （將主記憶體位址 BA的資料載入暫存器 R1）

12BB （將主記憶體位址 BB的資料載入暫存器 R2）

3312 （將暫存器 R1的資料與暫存器 R2的資料相加，再將結果儲存到暫存器 R3）

23B0 （將暫存器 R3的資料儲存到主記憶體位址 B0）

10B0 （將主記憶體位址 B0的資料載入暫存器 R0）

73FF （ 若暫存器 R3的資料與暫存器 R0的資料相同，就跳到主記憶體位址 FF去執行，

否則依序執行）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-14

5-2-7 機器循環週期

電腦會依照儲存於主記憶體的程式來執行指令，除非是遇到跳躍指令，否則執行

順序就是依照指令在主記憶體的位址。CPU執行一個指令的過程叫做機器循環週

期（machine cycle）（圖 5.6），包含下列四個步驟：

1. 指令擷取（instruction fetch）：CPU的控制單元根據程式計數器所記錄的位址，

從主記憶體讀取即將要執行的指令，然後儲存於指令暫存器，再將程式計數器遞

增，以記錄下一個指令的位址。

2. 指令解碼（instruction decode）：CPU的控制單元針對儲存於指令暫存器的指令進

行解碼，以決定所要執行的動作及資料。我們將第 1、2個步驟的指令擷取與指

令解碼統稱為指令時間（I-Time，instruction time）。

3. 指令執行（instruction excution）：CPU的算術邏輯單元會根據第 2個步驟分析出

來的動作及資料去進行運算。

4. 結果存回（result restored）：CPU的算術邏輯單元在執行完畢後，會將結果儲存

於主記憶體或暫存器。我們將第 3、4個步驟的指令執行與結果存回統稱為執行

時間（E-Time，excution time），而指令時間 I-Time加上執行時間 E-Time就是機

器循環週期。

�圖 5.6 機器循環週期

5-15

計算機組織

現在，我們可以針對第 5-2-6節所設計的系統和機器指令來看一個例子，假設主記

憶體位址 C0、C1 ~ CB有如表 5.6的資料，由於程式要從主記憶體位址 C0開始執

行，故程式計數器的初始值為 C0，同時指令暫存器為 4Bytes，所以 CPU的控制單

元每次必須擷取兩個位址的資料，這個程式的執行過程如下：

1. 控制單元根據程式計數器所記錄的位址 C0，從主記憶體擷取即將要執行的兩個

資料 11、BA，然後儲存於指令暫存器，再將程式計數器遞增 2，得到 C2。

2. 控制單元針對儲存於指令暫存器的指令 11BA進行解碼，將運算碼和運算元分析

出來，得知該指令是要將主記憶體位址 BA的資料載入暫存器 R1。

3. 算術邏輯單元將主記憶體位址 BA的資料載入暫存器 R1。

4. 接下來要執行第二個指令，控制單元根據程式計數器所記錄的位址 C2，從主記

憶體擷取即將要執行的兩個資料 12、BB，然後儲存於指令暫存器，再將程式計

數器遞增 2，得到 C4。

5. 控制單元針對儲存於指令暫存器的指令 12BB進行解碼，將運算碼和運算元分析

出來，得知該指令是要將主記憶體位址 BB的資料載入暫存器 R2。

6. 算術邏輯單元將主記憶體位址 BB的資料載入暫存器 R2。

7. 仿照前述步驟執行第三、四、五個指令（3312、23B0、10B0），這三個指令分

別是將暫存器 R1的資料與暫存器 R2的資料相加的結果儲存到暫存器 R3、將暫

存器 R3的資料儲存到主記憶體位址 B0、將主記憶體位址 B0的資料載入暫存器

R0，此時，程式計數器所記錄的位址為 CA。

8. 根據程式計數器所記錄的位址 CA將最後一個指令 73FF儲存於指令暫存器，原

本程式計數器的值應該是再遞增 2，但由於這是一個跳躍指令 JUMP，所以我們

必須先比較暫存器 R3的資料是否等於暫存器 R0的資料，若相等，就跳到主記

憶體位址 FF去執行，此時，程式計數器所記錄的位址為 FF，反之，若不相等，

則依序執行，此時，程式計數器所記錄的位址為 CC。

�表 5.6 程式範例

主記憶體位址 資料 主記憶體位址 資料 主記憶體位址 資料

C0 11 C4 33 C8 10

C1 BA C5 12 C9 B0

C2 12 C6 23 CA 73

C3 BB C7 B0 CB FF

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-16

5-3 CPU 的設計架構與技術

5-3-1 CISC V.S. RISC

CPU的設計架構有 RISC（reduced instruction set computing，精簡指令集）和

CISC（complex instruction set computing，複雜指令集）兩種，前者的代表為

Sun SPARC系列、PowerPC系列、MIPS RXXX系列、HP PA-RISC系列及 IBM

RS/6000，後者的代表為 Intel x86系列、Motorola 680x0系列。

顧名思義，RISC所提供的指令種類較少、指令功能較簡單、指令格式較無彈性且

指令長度固定，若要做複雜的事情，就要由多個指令來完成。正因為 RISC的指令

種類較少，所以能夠使用硬體電路控制的方式來製作，每個指令可以在一個時脈週

期內執行完畢，而且容易結合管線（pipelining）或超純量（superscalar）技術來提

昇效率。

反之，CISC所提供的指令種類較多、指令功能較複雜、指令格式較有彈性且指令

長度不固定。由於 CISC的指令種類較多，所以是採用微程式控制的方式來製作，

一旦指令的數目或內容改變，只要修改微程式，無須重新設計邏輯電路。

雖然在 RISC架構下所撰寫出來的程式較長，但由於每個指令的執行時間較短，

所以效率並不會比 CISC差，事實上，沒有理論能夠證明 RISC與 CISC的效率何

者為佳，不過，測試結果以 RISC較為領先，故伺服器級的電腦通常是採用 RISC

架構。

�表 5.7 RISC V.S. CISC

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

5-17

計算機組織

5-3-2 管線

無論科學家如何致力於提昇每個指令的執行速度，都會碰到一個先天的障礙，就是

電腦的控制訊號是電子脈衝，而電子脈衝的極速無法超越光速，於是科學家轉向

工作量（throughput）的方面去思考，也就是增加電腦在固定時間內所能完成的工

作，而不是減少完成單一工作所需的時間。

管線（pipelining）正是這種思考下的產物，因為在執行一個指令的過程中，並不

是 CPU的每個元件都在同時動作，而是某個元件先完成指令的某部分，再由其它

元件來完成指令的其它部分。您不妨將此過程想像成工廠的生產線，假設產品必

須經過洗淨、篩選、包裝與分箱等四個步驟，那麼最有效率的做法就是讓四個員

工分別負責這四個步驟，在員工 1完成產品 1的洗淨後，就把產品 1的篩選交給員

工 2，然後員工 1可以進行產品 2的洗淨；同理，在員工 2完成產品 1的篩選後，

員工 1亦完成產品 2的洗淨，於是把產品 1的包裝交給員工 3，然後員工 2可以進

行產品 2的篩選，而員工 1可以進行產品 3的洗淨，如圖 5.7，這樣員工就不會閒

置，生產效率亦能提昇。

�圖 5.7 運用管線技術的生產線

我們可以把相同精神套用到指令的執行，假設 CPU有四個元件分別負責指令的擷

取、解碼、執行與存回，為了讓每個元件有足夠時間完成工作，我們將最花時間的

那個步驟所需的時間定義為每個步驟所需的時間，待元件於指定時間內完成工作，

就把半成品交給下一個元件，然後接手上一個元件所處理過的半成品，想當然爾，

這四個元件的處理時間愈接近愈好，否則處理時間短的元件經常在等待，就無法發

揮管線的效率。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-18

關於這點，RISC就比 CISC容易發揮管線的效率，因為 RISC的每個指令都很簡

單，較容易分成幾個步驟來執行，而且這些步驟的處理時間也會較接近；反之，

CISC的每個指令有的簡單有的複雜，不容易分成幾個步驟來執行，而且這些步驟

的處理時間也會相差較多。

我們來看個例子，假設 CPU有四個元件分別負責指令的擷取、解碼、執行與存

回，而且所需的時間為 10ns、5ns、8ns、7ns，若以傳統的做法執行 100個指令，

則可以表示成如圖 5.8，所需的時間為 100 x（10 + 5 + 8 + 7）= 3000ns。

�圖 5.8 以傳統的做法執行 100 個指令

若改以管線技術執行 100個指令，則可以表示成如圖 5.9，由於這四個步驟最花

時間的是第一個步驟，於是將每個步驟所需的時間定義為第一個步驟所需的時間

10ns，換言之，完成一個指令所需的時間變成 10ns x 4 = 40ns，由圖 5.9可知，以

管線技術來執行 N個指令所需的時間為（N - 1）x 10ns + 40ns，故執行 100個指令

所需的時間為 1030ns，很明顯地比傳統的做法快許多。

�圖 5.9 以管線技術執行 100 個指令

5-19

計算機組織

5-3-3 超純量處理器

在前一節討論的管線技術中，負責指令的擷取、解碼、執行與存回的元件都各只有

一個，所以指令必須依序執行，無法同時執行多個指令，遂有科學家轉向同時執行

多個指令的方面去思考，換言之，如果這些元件都各有兩個，不就能同時執行兩個

指令了（圖 5.10）。這種擁有多個相同元件以同時執行多個指令的處理器叫做超純

量處理器（superscalar processor），而且超純量處理器若是再結合管線技術，效能會

更佳（圖 5.11）。

�圖 5.10 超純量處理器

�圖 5.11 結合管線技術的超純量處理器

不過，現實總是不如預期的理想，若超純量處理器遇到資料相依（data

dependency）或程序相依（procedural dependency）的情況，效率就會打折扣，「資

料相依」指的是後面指令會使用到前面指令的結果，「程序相依」指的是條件跳

躍，如果要同時執行的指令中有一個為跳躍指令，那麼在條件成立的情況下，必須

跳躍到另一個指令，而不是去執行跳躍指令的下一個指令，這樣就會產生問題，需

要設計其它演算法來解決。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-20

5-3-4 平行處理

增加工作量（throughput）的另一種方式是平行處理（parallel processing），也就是

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 I/O則是共用，如果有需要的話，這些處理器還可以擁有各自的記憶

體（local memory）。

一部具有平行處理能力的電腦在執行程式時，程式會被存放在記憶體，並分割成

幾個程式段落及資料，分別交給不同的處理器來執行，最後再把各個處理器的結

果統合成一個結果（圖 5.12），這種以不同的處理器來執行不同的程式段落及資料

稱為 MIMD（multiple-instruction stream, multiple-data stream，多重指令流多重資

料流），傳統的以單一的處理器來執行單一的程式段落及資料則稱為 SISD（single-

instruction stream, single-data stream，單一指令流單一資料流）。

還有另一種平行處理技術是將多個處理器連接在一起，協調執行相同的程式段

落，這種電腦稱為陣列處理器，相關的技術稱為 SIMD（single-instruction stream,

multiple-data stream，單一指令流多重資料流）。

註：指令流（instruction stream）指的是在記憶體中的連續指令，而資料流（data

stream）指的是在單一處理器上執行。

�圖 5.12 平行處理

5-21

計算機組織

5-4 記憶體

5-4-1 記憶體的種類

記憶體（memory）有 RAM（random access memory，隨機存取記憶體）與 ROM（read

only memory，唯讀記憶體）兩種，RAM除了供讀取，亦可寫入，在關閉電源後，

資料會消失，具有揮發性（volatile）；反之，ROM僅供讀取，無法寫入，在關閉電

源後，資料不會消失，具有非揮發性（nonvolatile）。

RAM又分成下列兩種：

DRAM � （dynamic RAM， 動 態 隨 機 存 取 記 憶 體 ）：DRAM 是 使 用 電

容（capacitor）儲存資料，當電容處於充電狀態時，表示 1，當電容處於放電

狀態時，表示 0，它之所以命名為「動態」是因為電容上的微小電荷容易流

失，必須藉由更新電路不斷重建，主要的用途是做為主記憶體。

SRAM � （static RAM，靜態隨機存取記憶體）：SRAM是使用正反器（flip-

flop）儲存資料，它之所以命名為「靜態」是相對 DRAM而來，因為 SRAM無

須藉由更新電路不斷重建，也正因此緣故，SRAM的存取速度比 DRAM快，

成本比 DRAM高，主要的用途是做為快取記憶體。

ROM又分成下列三種，主要的用途是儲存 BIOS：

PROM � （programmable ROM）：PROM可以透過 PROM燒錄器寫入資料，但

資料一經寫入後，就無法抹除或更新。

EPROM � （erasable PROM）：EPROM可以透過紫外線寫入或更新資料。

EEPROM � （electronically EPROM）：EEPROM可以透過電流寫入或更新資料。

目前 BIOS是儲存在 Flash Memory（快閃記憶體），這項技術最早是由 Toshiba所

提出，屬於 RAM的一種，但它所儲存的資料不會隨著電源關閉而消失，同時可以

透過 BIOS廠商提供的更新程式加以變更。

�圖 5.13 DDR SDRAM

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-22

5-4-2 記憶體的階層

根據所在的位置、用途及速度的不同，記憶體的階層如圖 5.14（a），其中：

暫存器 � （register）：這是位於 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，速度最快、容量最小。

快取記憶體 � （cache memory）：這是介於 CPU與主記憶體之間的記憶體，用來

暫時存放最近存取過或經常存取的資料，當 CPU需要資料時，就先到快取記

憶體找，若找不到，才要到主記憶體找，又分為 L1、L2、L3快取等二至三種

層次，速度居中、容量居中。

主記憶體 � （main memory）：這是安插於主機板的記憶體，位於 CPU外部，中

間透過匯流排來存取，用來暫時存放 CPU進行運算時所需要的資料或程式，

或暫時存放 CPU處理完畢的結果，速度較慢、容量較大。

5-4-3 主記憶體的定址方式

事實上，主記憶體是由許多記憶體單元（cell）所組成，不同機器可能有不同

數目的記憶體單元，而且記憶體單元的大小也不盡相同，一般是 8位元，也就

是 1位元組。為了加以辨識，每個記憶體單元都有唯一的位址（address），同

時這些位址是從 0開始，依照順序編號，以圖 5.14（b）為例，主記憶體空間為

64KB（216），每個記憶體單元的大小為 1位元組，那麼記憶體單元的位址將從

0（0000000000000000）~ 65535（1111111111111111）。

�圖 5.14

（a）記憶體的階層 （b）主記憶體的定址方式

5-23

計算機組織

DRAM又分成 FPM RAM（fast page mode RAM）、EDO RAM（extended data

output RAM）、Burst EDO RAM、SDRAM（synchronize DRAM）、

VCM（virtual channel memory）、DRDRAM（direct rambus DRAM）、DDR

SDRAM（double data rate SDRAM）⋯，其中以 DDR SDRAM為主流，工作

時脈為 100/133/166/200MHz，它的成功來自於 DDR為開放標準，無須支付權

利金，而且設計延伸自 SDRAM，製造廠商不會增加額外的設備成本。目前

第二代的 DDR2 SDRAM和第三代的 DDR3 SDRAM不僅將工作時脈提昇至

400/533/800MHz、1066/1333MHz，而且晶片顆粒愈小、耗電量愈低。

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補金氧半導體）原指

處理器或記憶體所使用的積體電路，但就 PC而言，CMOS專指儲存系統參數

的晶片，這些參數包括硬碟的類型、軟碟的規格、系統的日期時間⋯。由於

CMOS的資料不能隨著電源關閉而消失，所以必須外加電池。

BIOS（Basic Input/Output System，基本輸入 /輸出系統）是一套讓電腦或作

業系統和 I/O或應用程式溝通的低階程式，掌管了整個主機板的資源。從前的

BIOS較簡單，因為硬體較單純之故，現在的 BIOS就很複雜了，不僅要支援

隨插即用，還要負責電源管理、開機管理等。

�圖 5.15 BIOS 設定畫面

☉ DRAM的種類 ☉

☉ 何謂 CMOS ？ ☉

☉ 何謂 BIOS ？ ☉

技術部落

技術部落

技術部落

技

技

技

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-24

5-5 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，匯流排（bus）是主機板上面的鍍銅

電路，由三組不同的電路所組成，其中資料線（data line）負責傳送資料，位址

線（address line）負責存放主記憶體或週邊的位址，控制線（control line）負責發

出控制訊號，例如讀取、寫入等（圖 5.17）。

�圖 5.17 CPU 是透過匯流排連接主記憶體與週邊

匯流排又分為下列兩種：

系統匯流排 � （system bus）：負責傳送 CPU與主記憶體之間的資料。

擴充匯流排 � （expansion bus）：負責傳送 CPU與週邊之間的資料，有些

擴充匯流排是連接到主機板上面的擴充槽（expansion slot），然後將擴充

卡（expansion card，又稱為介面卡或控制卡）安插在擴充槽以連接週邊，例

如顯示卡是安插在 PCI-E匯流排擴充槽，以連接螢幕，另外有些擴充匯流排是

連接到主機板上面的連接埠（port），然後週邊可以安插在連接埠，而且符合

PC99規格的電腦還會以顏色來區分連接埠，例如印表機是連接在平行埠（粉

紅色）。

主機板通常會內建下列連接埠：

硬碟、軟碟與光碟控制介面 � ：硬碟、軟碟與光碟必須透過個別的控制介

面（IDE、SATA），才能達到與電腦交換資料的目的。由於這些週邊是電腦必

備的裝置，所以控制介面均內建於主機板，無須另外插卡。

5-25

計算機組織

PS/2埠 � ：主機板內建的 PS/2埠有紫色和綠色兩個，分別用來連接 PS/2鍵盤

及 PS/2滑鼠，而且兩者的位置不能交換，要是接反了，將無法順利開機。

序列埠 � （serial port，COM1/COM2，RS-232）：序列埠一次可以傳送一個位

元，用來連接滑鼠、數據機等較低速的裝置。由於目前的滑鼠大多設計為

PS/2或 USB介面，而數據機大多設計為 USB介面，所以序列埠就比較少

用了。

平行埠 � （parallel port，LPT）：平行埠一次可以傳送多個位元，用來連接印表

機、掃瞄器、數位相機等較高速的裝置。由於有愈來愈多印表機、掃瞄器、

數位相機等裝置設計為 USB介面，所以平行埠就比較少用。

IEEE 1394 � （FireWire）：這個介面可以串接 63個週邊，支援隨插即用與熱抽

換，用來連接錄放影機、DVD放影機、VCR、數位電視、DV等消費性電子

產品。IEEE 1394的正式名稱為 IEEE STD 1394-1995，因為 IEEE 1394是在

1995年才正式成為 IEEE標準，之後又被修正成 IEEE 1394A，該規格的傳輸

速率有 S100（98.304Mbps）、S200（196.608Mbps）、S400（393.216Mbps）三

種，而 IEEE 1394B有 800Mbps、1.6Gbps甚至 3.2Gbps以上的傳輸速率。

1 主電源插座

2 散熱風扇

3 PS/2鍵盤插槽

4 PS/2滑鼠插槽

5 USB埠

6 序列埠

7 平行埠

8 內建音效晶片插槽

9 顯示器插槽

10 網路卡插槽

11 SCSI卡插槽

12 音效卡插槽

13 數據卡插槽

�圖 5.18 主機的背面可以看到許多連接埠埠

12

4

7

10

12

5

6

8

9

11

13

3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-26

USB � （universal serial bus）：這個介面可以串接 127個週邊，支援隨插即用與

熱抽換，也就是系統可以偵測到使用者在開機狀態下所更換的 USB週邊，

包括硬碟在內。USB 1.0/1.1的傳輸速率為 12Mbps，USB 2.0的傳輸速率為

480Mbps，未來 USB 3.0則可望提昇至 4.8Gbps。

內建音效晶片插槽 � ：當主機板內建音效晶片時，主機的背面就會有這些連接

埠，其中 MIC輸入孔（粉紅色）可以連接麥克風；Line In音源輸入孔（粉藍

色）可以連接諸如錄音機、MPEG卡音源輸出等外部音源裝置；Audio Out輸

出孔（粉綠色）可以連接喇叭或耳機，透過音效卡內建的功率輸出音效；遊戲

埠（粉黃色）可以連接搖桿或MIDI裝置。

除了內建於主機板的連接埠之外，當主機板上面還有安插其它介面卡時，主機的背

面就會有對應的插槽。常見的介面卡如下：

顯示卡 � ：顯示卡可以將 CPU處理完畢的數位訊號，轉換成螢幕所能顯示的類

比訊號，它所提供的 D-sub插槽可以用來連接螢幕訊號線。

原先顯示卡是安插在主機板上面的 PCI（peripheral component interconnect）匯

流排或 AGP（accelerated graphics port）匯流排，但目前已逐漸改用 PCI-E匯流

排，這是 Compaq、IBM、Intel、AMD、HP、Microsoft等公司聯合制定的序列

傳輸匯流排，它將繼 ISA（industry standard architecture）、PCI之後成為第三代

主流的匯流排標準。

早期顯示卡的功能很單純，就是基本的影像輸出，但現在，由於 3D動畫遊戲

的盛行，使得顯示卡廠商無不致力於提昇其處理速度、解析度、色彩深度、顯

示記憶體等規格。

解析度（resolution）指的是單位距離內所能顯示的點數，以像素（pixel）為單

位，例如 1024×768表示水平方向有 1024個像素，垂直方向有 768個像素，

像素愈多，表示畫面愈細緻，能夠顯示的資料愈多；色彩深度（color depth）

指的是每個像素所能顯示的色彩數，8bit表示最多 256（28）色，24bit表示最

多 16,777,216（224）色。

顯示記憶體（VRAM，video RAM）用來儲存顯示晶片所需的資料，這種記

憶體和主記憶體一樣，從 FP RAM、EDO RAM、SDRAM到 DDR SDRAM皆

有，VRAM的數量愈多，解析度與色彩深度就愈高。

早期電腦的圖形標準是只能顯示單色、文字模式的MGA，後來逐漸演進到

5-27

計算機組織

CGA、EGA、VGA、XGA、SVGA、SXGA、WXGA⋯。

音效卡 � ：音效卡可以將 CPU處理完畢的數位訊號，轉換成喇叭所能播放的

類比訊號，或將麥克風或錄音所得的類比訊號，轉換成電腦所能處理的數位

訊號。

音效卡通常是安插在主機板上面的 PCI匯流排，提供了和內建音效晶片插槽相

同的插槽，包括MIC輸入孔（粉紅色）、Line In音源輸入孔（粉藍色）、Audio

Out輸出孔（粉綠色）和遊戲埠（粉黃色），因此，它除了能夠將數位的聲音

訊號轉換成類比訊號之外，還可以放大並傳送其它音源。

舉例來說，我們只要將光碟機的音源線連接到音效卡，就可以從喇叭收聽 CD

唱片，或者，我們也可以將MIDI樂器、搖桿、麥克風連接到音效卡，這樣就

能在電腦上玩MIDI音樂、玩遊戲或從事錄音、語音輸入等活動。

數據卡 � ：數據卡可以將電腦內部的數位訊號，轉換成 PSTN（公共交換電信網

路）所能傳送的類比電波，或將接收自 PSTN的類比電波，轉換成電腦所能處

理的數位訊號。數據卡通常是安插在主機板上面的 PCI匯流排，提供了用來

連接電話線的插槽，傳輸速率以 bps（bit per second）為單位。

網路卡 � ：網路卡可以將電腦內部的資料轉換成傳輸媒介所能傳送的訊號，或

將傳輸媒介接收到的訊號轉換成電腦所能處理的資料。網路卡通常是安插在

主機板上面的 PCI匯流排，提供了用來連接雙絞線的 RJ-45插槽或同軸纜線的

BNC接頭，目前是以 RJ-45插槽為主流。

�圖 5.19 顯示卡

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-28

5-6 輸入 / 輸出的定址方式

除了主記憶體之外，CPU也會與週邊溝通，因此，週邊和主記憶體的記憶體單元

一樣會被賦予唯一的位址，常見的定址方式有隔離 I/O和記憶體映射 I/O兩種。

5-6-1 隔離 I/O

在隔離 I/O（isolated I/O）中，每個週邊均有唯一的位址，但這些位址卻可能和主

記憶體的記憶體單元重複，為了避免混淆，於是得設計兩組不同的指令來進行主記

憶體的讀寫及週邊的讀寫（圖 5.20），舉例來說，我們可能設計了一個指令Write

100將資料寫入主記憶體內位址為 100的記憶體單元，然後又另外設計了一個指令

Output 100將資料寫入位址為 100的週邊。

�圖 5.20 隔離 I/O

5-6-2 記憶體映射 I/O

在記憶體映射 I/O（memory-mapped I/O）中，每個週邊均有唯一的位址，而且這些

位址是從主記憶體的部分定址空間配置出來，所以不會和主記憶體的記憶體單元

重複（圖 5.21），優點是只要設計一組指令就可以進行主記憶體的讀寫及週邊的讀

寫，缺點是主記憶體的定址空間會變小，舉例來說，假設週邊使用了 50個位址，

那麼主記憶體的定址空間自然就會減少 50個位址。

5-29

計算機組織

�圖 5.21 記憶體映射 I/O

5-7 輸入 / 輸出介面

由於週邊的種類繁多，存取速度遠不及 CPU和主記憶體，而且儲存資料的格式

也不盡相同，所以通常不是直接與匯流排連接，而是透過輸入 /輸出介面（I/O

interface）與 CPU及主記憶體溝通（圖 5.22）。

�圖 5.22 輸入 / 輸出介面

輸入 /輸出介面又稱為 I/O模組，主要的工作有：（1）與週邊溝通；（2）與 CPU及

主記憶體溝通；（3）做為資料緩衝區；（4）錯誤偵測與回報。至於輸入 /輸出介面

的資料傳輸方式則有程式控制 I/O、中斷式 I/O和直接記憶體存取（DMA）三種。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-30

5-7-1 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，輸入 /輸出介面並不會主動通知 CPU其所要存取的週邊是否已

經準備好需要的資料，然後叫 CPU去拿下一筆資料，也不會主動通知 CPU其所要

存取的週邊是否已經消化完送來的資料，然後叫 CPU送下一筆資料過去，在這個

過程中，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 5.23（a））。

5-7-2 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

後便逕自執行其它工作，待資料傳送完畢後，週邊會發出一個中斷要求（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 5.23（b））。

目前處理中斷要求的控制晶片內建於主機板的晶片組，而且中斷要求分成 16個層

次，編號為 0 ~ 15，數字愈大，優先順序愈低，例如 IRQ 0是系統計時器，IRQ 1

是鍵盤控制器，一旦系統計時器與鍵盤控制器同時發出中斷要求，CPU會先處理

系統計時器的中斷要求。

　　　

（a）程式控制 I/O 　　　 （b）中斷式 I/O

�圖 5.23

5-31

計算機組織

5-7-3 直接記憶體存取 （DMA）

直接記憶體存取（DMA，direct memory access）是應用在主記憶體與週邊之間的資

料傳送，舉例來說，假設我們要從硬碟讀取一個磁區的資料傳送到主記憶體，那麼

早期沒有加入 DMA的電腦將會由 CPU擔任資料傳送的“仲裁”，CPU會先通知硬

碟控制介面去讀取一個磁區的資料，待硬碟控制介面讀取完畢後，再發出中斷要

求，通知 CPU將資料傳送至主記憶體。

這種運作方式顯然會佔用 CPU寶貴的時間，為了減少 CPU的負荷，於是之後的

電腦加入了 DMA，當主記憶體與週邊之間要傳送資料時，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，接下來便由

DMA直接向週邊取得資料，然後傳送給主記憶體，不再打擾 CPU，電腦的效能自

然就提昇了（圖 5.24）。

不過，雖然如此，共用的匯流排在 CPU、DMA和主記憶體競相使用的情況下仍會

成為障礙，也就是所謂范紐曼瓶頸（von Neumann bottleneck）。

早期的 8位元 ISA匯流排因為只有一顆 DMA控制晶片，所以僅提供四個

DMA（編號為 0 ~ 3），而現在的 16位元 ISA、EISA、MCA、VL、PCI匯流排均

有兩顆 DMA控制晶片，所以能提供八個 DMA（編號為 0 ~ 7）。

�圖 5.24 加入 DMA之後的資料傳輸模式

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-32

5-8 輸入裝置

輸入（input）指的是使用者放進主記憶體的資料，其類型如下：

軟體 � （software）：當我們要使用電腦從事某些工作時，就要啟動軟體，例如我

們可以啟動Microsoft Word從事文書處理、啟動 Adobe Photoshop從事影像處

理⋯。軟體通常是存放在硬碟、CD-ROM或 DVD-ROM等儲存裝置，只有在

執行時才會被載入主記憶體。

資料 � （data）：這是尚未組織的文字、數字、圖形、影像、聲音⋯，電腦可以

將資料轉換成有用的資訊（information），例如公司員工每月上班的天數是一

種資料，而電腦可以將這些資料處理成每月支薪等有用的資訊。

命令 � （command）：命令可以指揮電腦執行某些動作，例如我們可以使用

Microsoft Word提供的命令進行複製、剪下、貼上、拼字檢查、搜尋與取代、

版面設定、列印等動作。

回應 � （response）：有時軟體會要求我們做一些決定，例如在結束 Microsoft

Word時，Microsoft Word會詢問我們是否加以存檔，或在微軟視窗環境下刪

除檔案時，作業系統會詢問我們是否要將刪除的檔案放入資源回收筒。

對使用者來說，電腦的輸入裝置是舉目可見的，不像 CPU、主記憶體之類的裝置

是隱藏在機殼內部。輸入裝置（input device）可以接受外來的資料，包括文字、數

字、圖形、影像、聲音、命令、軟體、條碼⋯，然後將這些資料轉換成電腦看得懂

的格式，傳送給 CPU做運算。事實上，電腦的輸入裝置就像人類的感官一樣，它

可以讓電腦看得到、聽得到、摸得到，甚至聞得到。

在日常生活中，我們可以看到形形色色的輸入裝置，例如桌上型電腦的鍵盤或滑

鼠、筆記型電腦的軌跡球、觸控板或指向桿、ATM櫃員提款機的按鍵、條碼閱讀

機的雷射掃描裝置、玩遊戲的搖桿、方向盤或踏板、從事繪圖的數位板、地理資

訊系統的觸控式螢幕、PDA的手寫辨識系統、銀行的語音轉帳系統、光學字元辨

識（OCR）、光學記號辨識（OMR）、磁性墨水字元辨識（MICR）、光筆、磁卡 /

智慧卡、眼球追蹤、掃描器、數位相機、數位攝影機、WebCam、虛擬實境所使用

的頭盔、感應手套等生物回饋裝置。

5-33

計算機組織

5-9 輸出裝置

輸出（output）指的是電腦的運算結果，其類型如下：

文字 � （text）：文字是由中英文字、數字、符號所組成，例如畢業論文、新聞

稿、演講稿、通訊錄、合約、公告⋯。

圖形 � （image）：圖形是非文字的圖片、表格或照片，其來源可能是使用者自行

繪製，也可能是透過掃描器、數位相機所取得。

聲音 � （audio）：聲音輸出涵蓋的範圍相當廣泛，包括 MIDI音樂、CD播放

機、喇叭、錄放音機、網路音訊（VoIP）、網路廣播⋯。

視訊 � （video）：視訊是連續的影像，其來源可能是傳統攝影機、數位攝影機或

Web攝影機⋯。

輸出裝置（output device）可以將電腦處理完畢的二進位資料轉換成使用者可以理

解的文字、圖形、音訊或視訊，然後顯示出來。在日常生活中，我們可以看到形

形色色的輸出裝置，例如桌上型電腦的映像管螢幕（CRT）、筆記型電腦、手機、

PDA及儀器儀表板的液晶螢幕（LCD）、工程人員使用的繪圖機（plotter）、從事

簡報的液晶投影機或數位投影機、電漿螢幕（PDP）、印表機、喇叭、智慧型終端

機（例如 ATM櫃員提款機、收銀機）、語音回應系統、電子書（e-book）⋯。

在前述的諸多輸出裝置中，電腦通常是透過螢幕（monitor）顯示 CPU的運算結果，

我們習慣將螢幕的輸出稱為軟拷貝（soft copy），印表機的輸出稱為硬拷貝（hard

copy），而且印表機（printer）又

分成撞擊式（impact）與非撞擊

式（nonimpact） 兩 類， 前 者 是

利用機械敲擊色帶，和紙張接觸

印出文字或圖形，典型的代表有

點陣式印表機和行列式印表機；

後者是利用噴墨、熱或壓力印出

文字或圖形，無須敲擊紙張，典

型的代表有噴墨印表機、雷射印

表機、熱感應印表機、相片印表

機、多功能事務機和繪圖機。

�圖 5.25 螢幕是最普遍的輸出裝置

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-34

5-10 儲存裝置

儲存裝置（storage device）可以用來存放資料、指令或程式，又稱為輔助儲

存裝置、大量儲存裝置或次級儲存裝置，常見的有硬碟、軟碟、磁帶、ZIP、

LS120/240、Jaz、MO、CD-ROM/CD-R/CD-RW、DVD-ROM/DVD-R/DVD+R/

DVD-RW/DVD+RW/DVD-RAM、Blu-ray Disc、HD-DVD、SAN、NAS（網路磁碟

機）、PC Card、智慧卡、快閃記憶體⋯。

儲存裝置和主記憶體不同，首先，主記憶體可以直接由 CPU存取，屬於線上儲存

裝置（on-line storage），而儲存裝置不能直接由 CPU存取，必須透過輸入 /輸出介

面（I/O interface），屬於離線儲存裝置（off-line storage）；其次，主記憶體具有揮

發性（volatile），一旦關閉電源，所儲存的資料將全部消失，而儲存裝置具有非揮

發性（nonvolatile），即便關掉電源，所儲存的資料仍不會消失；再者，主記憶體的

存取速度較快、成本較高、容量較小，而儲存裝置的存取速度較慢、成本較低、容

量較大。

儲存裝置的存取方式有循序存取（sequential access）和隨機存取（random access）

兩種，循序存取必須依照一定的順序，換言之，想要存取後面的位置，必須先存取

前面的位置，諸如錄音帶、磁帶皆屬於循序存取，比方說，我們想聽錄音帶的第

五首歌，那麼必須先將前四首歌播放完畢或快轉過去，不能直接跳到第五首歌；

反之，隨機存取則無須依照任何順序，想要存取哪個位置就存取哪個位置，諸如軟

碟、硬碟、光碟皆屬於隨機存取，比方說，我們想聽唱片光碟的第五首歌，那麼直

接選按跳到第五首歌即可，不必等前四首歌播放完畢或快轉過去。

對使用者來說，無論是資料、指令或程式，均以檔案（file）的形式存放在儲存裝

置，而且為了方便管理、搜尋及設定存取權限，使用者還可以將數個檔案放在目

錄（directory）或資料夾（folder）。

檔案或目錄存放在儲存裝置的方式取決於檔案系統（file system），當使用者以檔案

的完整路徑及名稱（例如 C:\inetpub\wwwroot\images\flower.jpg）存取檔案時，檔案

系統會找出檔案存放在儲存裝置的哪個位置，進而讀取上面的資料。

不同的作業系統可能採用不同的檔案系統，例如Microsoft DOS的檔案系統為 FAT

（file allocation table，檔案配置表）、Microsoft Windows 2000的檔案系統為 FAT32

或 NTFS（new technology file system）、Mac OS的檔案系統為 HFS（hierarchical

file system）。

5-35

計算機組織

5-10-1 硬碟

硬碟（hard disk）的內部構造主要有碟片（platter）、存取臂（access arm）、主軸馬

達（moter）及讀寫頭（read/write head），碟片是由鋁、玻璃、陶所組成，表面塗有

一層磁性薄膜供讀寫，而存取臂可以移動讀寫頭快速找到資料，當主軸馬達高速轉

動時，會帶動氣流產生浮力，使讀寫頭浮在碟片上方或下方，然後沿著碟片上表面

或下表面走過一個圓形軌跡，以讀寫資料，該圓形軌跡就叫做磁軌（track），而且

一個磁軌又分割為多個圓弧，稱為磁區（sector），每個磁軌上面的磁區數量相同，

每個磁區為 512位元組（圖 5.26）。

一部容量在 GB以上的硬碟通常包含數片碟片，這些碟片會一片片掛在一個主軸，

而且碟片與碟片之間各有一個讀寫頭，不過，由於硬碟在出廠時採用無塵密封包

裝，故從外觀看不出包含幾片碟片，也看不到讀寫頭。

�圖 5.26

（a）硬碟的內部構造 （b）硬碟

（c）磁軌與磁區

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-36

數個磁區的集合叫做磁簇（cluster），在讀寫硬碟的資料時，必須以磁簇為單位，

至於磁柱（cylinder）則是各個碟片上相同磁區的集合（圖 5.27）。

�圖 5.27 磁柱

資料存放在硬碟的方法有磁區法（sector method）和磁柱法（cylinder method）

兩種，前者是將資料以水平方式存放在數個磁區，透過碟片的磁面編號（surface

number）和磁區編號（sector number），水平移動讀寫頭找到所要讀寫的磁區，然

後加以讀寫；後者則是將資料以垂直方式存放在數個磁柱，讀寫時只要更換碟片與

碟片之間的讀寫頭，不必移動讀寫頭，效率自然較佳。

由於硬碟容量動輒上百 GB，為了方便管理，使用者通常會將它劃分為幾個分割磁

區（partition），每個分割磁區就像一個獨立的小硬碟，擁有各自的磁碟代號。例如

一個 80GB的硬碟可以劃分為三個大小為 20、30、30GB的分割磁區，磁碟代號為

C:、D:、E:，分別用來存放作業系統、應用程式和資料。

硬碟的規格

尺寸 � （size）：從 IBM公司在 1956年推出第一顆硬碟 305 RAMAC開始，硬碟

的尺寸就由 24吋逐漸縮小至 14、9、8吋，爾後 Seagate公司在 1979年推出

第一顆 5.25吋硬碟 ST506，Rodime公司在 1983年推出第一顆 3.5吋硬碟，這

是桌上型電腦主流的硬碟尺寸，而 Prarietek公司在 1987年推出第一顆 2.5吋

硬碟，這是筆記型電腦主流的硬碟尺寸。

容量 � （capacity）：容量是最容易理解的數據，容量愈大，表示能夠存放愈多資

料。目前硬碟的容量是以 GB（109）為單位，未來可望提昇到以 TB（10

12）、

PB（1015）、甚至 EB（10

18）為單位。

5-37

計算機組織

轉速 � （spindle speed）：這是硬碟內部主軸馬達轉動的速度，以 RPM（revolutions

per minute）為單位（每分鐘轉動幾圈），轉速愈高，表示存取效率愈佳。早期硬

碟的轉速是以 3,600RPM為主，目前 ATA/SATA硬碟的轉速是以 7,200RPM為

主，而 SCSI/SAS硬碟的轉速是以 15,000RPM為主。

硬碟控制介面 � （HDC，hard disk controler）：內接式硬碟的控制介面主要有

ATA（IDE）、SATA（Serial-ATA）、SCSI、SAS（Serial Attached SCSI），外接

式硬碟的控制介面則有 USB、IEEE 1394、eSATA⋯。

磁碟快取 � （disk cache）：雖然硬碟能夠穩定地傳輸資料，但其存取效率比起主

記憶體卻落後許多，為了提昇效率，於是在硬碟的外部加上快取記憶體，以存

放最近存取過或經常存取的資料，當系統需要資料時，就先到快取記憶體找，

若找不到，才要到硬碟找，因此，哪些資料該暫存在快取記憶體的演算法攸關

了這種做法的效率。

平均搜尋時間 � （average seek time）：這指的是從硬碟找到資料位置所需的平均

時間，以 ms（毫秒）為單位，通常硬碟的轉速愈高、碟片密度愈高，平均搜

尋時間就愈短。

事實上，從硬碟讀取資料牽涉到兩個步驟，首先是將讀寫頭移到資料所在的磁

軌，此動作的等待時間稱為搜尋時間（seek time），接著才是將資料所在的磁

區旋轉到讀寫頭下方，此動作的等待時間稱為旋轉延遲（rotation delay）（圖

5.28）。

�圖 5.28 硬碟讀取資料的步驟

資料傳輸速率 � （data transfer rate）：在硬碟找到資料位置後，還要將資料傳送

給電腦，資料傳輸速率指的就是將資料傳送給電腦的速率，例如 ATA-133、

SATA 1.0/2.0/3.0、SAS 1.0/2.0硬碟的資料傳輸速率分別為 133Mbps、1.5/3/6

Gbps、3/6Gbps。

1. 將讀寫頭移到資

料所在的磁軌

2. 將資料所在的磁區

旋轉到讀寫頭下方

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-38

磁碟陣列（RAID）

磁碟陣列（RAID，redundant array of independent disks）的原理是將數部磁碟組合

成單一磁碟，具有成本低、讀寫效率高、容錯能力高、可靠度高等優點。

�表 5.8 常見的 RAID 模式

模式 說明 特點

RAID 0

將一筆資料分成數個區段寫入不同

的磁碟，藉以提升讀寫效率，又

稱為「等量分配」（striping）（圖

5.29（a））。

讀寫效率最佳、容錯能力最低 （一旦

有任何磁碟損壞，將導致資料不完

整，無法繼續讀寫）。

RAID 1

每個磁碟都有一個備份磁碟，一旦有

任何磁碟損壞，馬上會有備份磁碟接

手，又稱為「鏡射」（mirroring）（圖

5.29（b））。

容錯能力最佳、成本最高 （因為備份

磁碟無法用來存放其它資料）。

RAID 5

將同位位元檢查資料與原始資料重

新組合，然後分成數個區段寫入不

同的磁碟。

讀寫效率較佳、容錯能力較佳、資料

復原時間較長 （因為同位位元檢查資

料散布在各個磁碟）。

RAID 3類似 RAID 5，但外加一個磁碟專門

存放同位位元檢查資料。

讀寫效率較佳、容錯能力較佳、成本

較高

RAID 0+1

結合 RAID 0和 RAID 1兩種模式，

以保有效率優勢並兼顧備份需求。

讀寫效率較佳、容錯能力較佳、成本

較高 （需要較多部磁碟，RAID 0、1、

0+1的最少組成磁碟數為 2、2、4）。

�圖 5.29

（a）等量分配

（b）鏡射

5-39

計算機組織

5-10-2 磁帶

早期磁帶（tape）是工作站最常用來備份資料的儲存裝置，但在磁碟技術一日千里

及光碟迅速普及之際，除了醫院、政府機關、圖書館等單位用來存放大量資料或個

人用來存放 V8等大量影音資料之外，就比較少人使用了。

磁帶的原理是在一條寬度為 1/4吋（6.3mm）或 1/2吋（12.7mm）的塑膠帶表面塗

上磁性物質來記錄資料，外觀與傳統的錄音帶、錄影帶極為類似，同樣的，磁帶的

讀寫必須透過磁帶機，表 5.9是常見的磁帶類型。

除了容量之外，磁帶所能儲存的資料也可以使用密度為單位，CPI（characters per

inch）表示每吋磁帶可以儲存幾字元，BPI（bytes per inch）表示每吋磁帶可以儲存

幾位元組，常見的有 800BPI、1600BPI，最高甚至可達 6250BPI。

磁帶的優點是可以重覆讀寫、成本低、容量

大，缺點則是只能循序存取、可能受潮發

霉、資料損壞時不易修復、長期沒有讀寫時

磁帶可能沾粘、接近磁性物質時可能導致資

料磁化消失、讀寫不同位置上的資料將花費

很多時間來捲動磁帶。

�圖 5.30 磁帶機

�表 5.9 常見的磁帶類型

名稱 容量速度

（MB/Sec）

寬度

（mm）研發廠商

QIC（Quarter-Inch Cartridge）

40MB ~ 25GB 0.15 ~ 1 6.3 QIC WorkGroup

DDS（Digital Data）

2GB ~ 40GB 0.18 ~ 3 4 SONY、HP

DLT（Digital Linear Tape）

10GB ~ 40GB 1.25 ~ 6 12.7 DEC

SDLT（Super DLT）

110GB ~ 1.2TB 11 ~ 100 12.7 DEC

AIT（Advanced Intelligent Tape）

35GB ~ 800GB 4 ~ 96 8 SONY

Mammoth 20GB ~ 60GB 3 ~ 12 8 Exabyte

VXA 33GB 3 8 Ecrix

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-40

5-10-3 光學儲存裝置

前面所介紹的硬碟和磁帶屬於磁性儲存裝置（magnetic storage），而光碟（optical

disk）則屬於光學儲存裝置（optical storage），雖然目前的儲存裝置仍以磁碟為主，

但體積小、容量大、可靠度高、使用壽命長的光碟亦極為普遍。

光碟分成光碟片與光碟機兩個部份，光碟片是在聚碳酸酯塑膠上覆蓋一層反射鋁

質，藉由不同的反射面，將資料記錄在光碟片。事實上，光碟片並不是光滑平整

的，而是有很多凹槽（dent）和凸點（pit），當要讀取資料時，必須將光碟片放入

光碟機高速轉動，讓讀取頭發出雷射光束照射光碟片，若照射到凹槽，雷射光束

就反射回去，記下 ON（訊號 1）；反之，若照射到凸點，雷射光束就散開，記下

OFF（訊號 0），最後再將讀取到的訊號轉換成資料。

光碟的技術源自音響系統的 CD-DA（compact disk-digital audio），不過，唱片光碟

的軌道是由內向外，而光碟的軌道是由外向內，同時為了提高容量，光碟的軌道為

固定密度，外圈軌道所能儲存的資料比內圈軌道多。

唯讀光碟（CD-ROM）

目前最普遍的光碟是一種只能讀取不能寫入的唯讀光碟（CD-ROM，compact disc-

ROM），這種直徑約 12公分、播放時間約 74分鐘、容量約 650MB的光碟在購買時

就已經有資料，使用者只能讀取不能寫入。

CD-ROM自 1984年開始應用於工作站，PC則是在 1991年後才有單倍速光碟機，

主要用途是儲存資料及播放唱片光碟，1994年雙倍速光碟機開始量產，緊接著於

1995年 4倍速光碟機亦開始量產，到了 1996年，光碟機的倍速一躍成了 8、12倍

速，直到 1997年，光碟機的倍速已經提昇到 16、20倍速，而現在，光碟機的倍速

更是高達 50倍速以上。

註：光碟機的倍速愈高，表示光碟機讀取光碟片的速度愈快，單倍速光碟機的讀

取速度為每秒鐘 150KB，而 50倍速光碟機的讀取速度為每秒鐘 150KB×50＝

7,500KB≒ 7.5MB。

影音光碟（VCD）

影音光碟（VCD，Video CD）是一種專門用來儲存影像、聲音的數位媒體，採用

MPEG-1壓縮技術儲存資料，它的外觀和 CD-ROM或唱片光碟一樣，但可以儲存

約 74分鐘、650MB的影音資料。

5-41

計算機組織

磁光碟（MO）

磁光碟（MO，magneto optical）是一種結合磁碟與光碟技術的產品，利用高溫下進

行磁相改變的原理寫入資料，至於讀取資料則是在常溫下以光學方式進行，穩定性

高，不會磁化、發霉或磨損（它比光碟片多了防護外殼）。

MO包含MO磁光碟片和MO磁光碟機兩個部分，MO磁光碟片的容量有 230MB、

640MB、1.3GB、2.3GB，具有向下相容性，尺寸有 3.5吋和 5.25吋兩種，前者應

用於印刷美術相關行業，後者應用於機關行號存放資料，做為磁光碟櫃。

CD-R/CD-RW

CD-R（CD-Recordable）是利用雷射光束將凹槽燒錄到軌道上的有機染料，藉以將

資料寫入 CD-R光碟片，同一個位置只能寫入一次，而且無法抹除。

CD-RW（CD-ReWritable）是利用三種不同能量的雷射光束將凹槽燒錄到軌道上的

金屬混合物（銀、銦、銻⋯），藉以將資料寫入 CD-RW光碟片，同一個位置能夠

重複寫入，而且可以抹除，因為最低能量的雷射光束可以讀取資料，中間能量的雷

射光束可以使金屬混合物恢復結晶狀態抹除資料，而最高能量的雷射光束可以熔解

金屬混合物形成凹槽。

數位影音光碟 DVD

DVD（digital video disc）最初是由 Philips與 SONY公司於 1992年共同制定的光

碟規格，然後雙方於 1995年 12月確立 DVD的最終規格，使得 DVD除了提供高

音質、高畫量的影片之外，也可以做為高容量的儲存媒體。一般人可能會誤認為

DVD是單一產品，事實上，DVD的規格可以分成下列幾種：

DVD-ROM � ：DVD-ROM的競爭對象是 CD-ROM，DVD-ROM光碟機不僅能夠

讀取 4.7GB的 DVD光碟片，還能夠讀取 650MB的 CD-ROM、VCD、CD-R/

CD-RW光碟片。

MOVIE-DVD � ：MOVIE-DVD的競爭對象是 VCD、LD及 VHS錄影帶，目前

電影公司已經發行 DVD取代 LD、VHS錄影帶。

AUDIO-DVD � ：AUDIO-DVD的競爭對象是唱片光碟，它不僅能夠播放高品質

的杜比 AC-3音效，還能夠播放唱片光碟。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-42

DVD-R/RW � ：DVD-R只能寫入一次讀取多次，DVD-RW則能重複讀寫，其

規格是由 SONY、Panasonic、Pioneer等公司所推出，直徑 12公分、單面容量

4.7GB、雙面容量 9.4GB。

DVD+R/RW � ：DVD+R只能寫入一次讀取多次，DVD+RW則能重複讀寫，

其規格是由 SONY、Philips、Ricoh等公司所推出，直徑 12公分、單面容量

4.7GB、雙面容量 9.4GB。

DVD-RAM � ：DVD-RAM可以重複讀寫，其規格是由 Panasonic、Toshiba、

Hitachi等公司所推出，直徑 12公分、單面容量 1.4GB、雙面容量 2.8GB。

在這些規格中，只有MOVIE-DVD順利成為市場主流，而在 DVD燒錄規格上，則

出現了 DVD-R/RW、DVD+R/RW、DVD-RAM「三規抗衡」的局面，令消費者難

以抉擇，多數廠商傾向投入支援 DVD±R/RW的 DVD-Dual，少數廠商傾向投入

支援 DVD-R/RW、DVD-RAM的 DVD-Multi或支援 DVD±R/RW、DVD-RAM的

DVD-Super Multi。

正當 DVD燒錄規格陷入戰雲密佈之際，市場上又興起下列兩種採用藍色雷射光束

的規格，由於藍色雷射光束的波長（405nm）比紅色雷射光束（780nm、650nm）

更短，使得光碟上的凹槽及軌道距離更小，故能讀寫儲存密度更高的資料，提昇光

碟儲存容量：

Blu-ray Disc � ：這是由 SONY、Pioneer、Philips等公司於 2003年所推出的藍光

燒錄規格，而且一開始就是先制定能夠重複讀寫的 BD-RE規格，單面雙層容

量有 27GB、25GB、23.3GB三種，單面雙層容量有 54GB、50GB、46.6GB三

種，至於只能寫入一次讀取多次的 BD-R規格和只能讀取的 BD-ROM規格則

是到 2005年才完成制定。Blu-ray Disc支援MPEG-4影像壓縮技術，影像解

析度高達 1920×1080，和現有的 DVD架構不具有向下相容性。

HD DVD � ：這是由 Toshiba、NEC等公司於 2004年所推出的藍光燒錄規格，單

面單層容量 15GB、單面雙層容量 30GB，支援MPEG-4影像壓縮技術，影像

解析度高達 1920×1080。同樣的，HD DVD又分成數種規格，包括 HD DVD-

VIDEO、能夠重複讀寫的 HD DVD-RW規格、只能寫入一次讀取多次的 HD

DVD-R規格和只能讀取的 HD DVD-ROM規格。

原本在 2007年 Blu-ray Disc和 HD DVD尚呈五五波之爭，但在華納電影公司宣布

於 2008年 5月不再支援 HD DVD之後，微軟 XBox亦大幅調降對 HD DVD的支

援，顯示出 HD DVD在這場次世代光碟規格大戰中已經逐漸式微。

5-43

計算機組織

5-10-4 企業儲存系統

有愈來愈多企業將資料存放在網路，讓擁有授權的管理階層、員工或消費者取得所

需的資料，而所謂企業儲存系統（enterprise storage system）就是一個安全、可靠

且快速的儲存系統，負責儲存、整合、保護及備份企業內部的資料。

事實上，企業儲存系統結合了數種儲存技術，包括：

伺服器 � （server）：資料統一存放於伺服器。

磁碟陣列系統 � （RAID）：一旦有儲存裝置發生錯誤，立刻會有備份裝置上線。

儲存區域網路 � （SAN，storage area network）：這是將散佈於個別網路的儲存裝

置連接到主網路，然後網路上的其它電腦可以透過主網路存取這些儲存裝置。

網路磁碟機 � （NAS，network attached storage）：NAS和 SAN一樣是提供網路

儲存服務，不同的是 NAS屬於高效能的儲存伺服器，可以連接到網路上供其

它電腦存取，它是獨立的節點，就像網路上的電腦、印表機等裝置。

磁帶櫃 � （tape library）：使用許多磁帶進行系統及資料備份。

光碟櫃 � （optical disk library）：使用許多光碟進行系統及資料備份。

�圖 5.31 企業儲存系統結合了數種儲存技術

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-44

5-10-5 固定狀態儲存裝置

固定狀態儲存裝置（solid state storage device）屬於非揮發性記憶體晶片，具有輕薄

短小、可靠度高、可攜性等優點，常見的如下：

PC Card（ � PCMCIA Card）：PC Card的外型和信用卡差不多，有 Type I、

Type II、Type III 等三種類型，分別用來安插快閃記憶體、其它週邊（網路

卡、數據卡、SCSI卡⋯）、迷你硬碟。

Smart Card/IC Card � （智慧卡）：智慧卡有兩種，一種是僅有記憶功能的記

憶卡，例如電話卡，另一種是有 CPU運算與記憶功能的 IC卡，例如健保 IC

卡。智慧卡不僅能儲存資料，也能處理資料，同時因為它能夠執行加密傳輸

程式，即使遺失或傳輸訊號被攔截，也不用擔心被盜用，未來將逐步取代門禁

卡、信用卡、身分證、學生證等卡片。

快閃記憶體 � （flash memory）：快閃記憶體是以記憶卡的形式廣泛應用於數位相

機、數位攝影機、MP3隨身聽、USB隨身碟、照相手機、數位錄音筆、PDA

擴充卡等行動數位產品。表 5.10為常見的記憶卡規格，其中體積較大的 Half-

Card Size記憶卡早期應用於數位相機和 PC週邊，後來則為軍事及航太工業所

採用；體積中等的 Stamp Size記憶卡應用於消費性電子產品、數位相機和 PC

週邊；體積最小的Mini Size記憶卡應用於照相手機。

�圖 5.32 xD 記憶卡

�表 5.10 記憶卡規格

Half-Card Size Stamp Size Mini Size

記憶卡 SM CF CFII MS SD xD Mini-SD

體積

（mm）45x37x0.76 43x36x3.3 43x36x5 50x21.5x1.4 32x24x2.1 25x20x1.7 20x21.5x1.4

最大

容量128MB 4GB 4GB 2GB 1GB 512MB 512MB

本章回顧

5-45

系統單元 � （system unit）包含中央處理器（CPU）與主記憶體兩個部分。

CPU � （central processing unit）負責算術運算、邏輯運算與程式執行，由控制單元、

算術邏輯單元及暫存器所組成，其中控制單元是負責控制資料流與指令流的電路，

算術邏輯單元是負責算術運算與邏輯運算的電路，暫存器是位於 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。

機器語言 � （machine language）是程式與電腦溝通的介面，定義了程式可以使用的指

令與編碼方式。

CPU執行一個指令的過程叫做 � 機器循環週期（machine cycle），包括指令擷取、指令

解碼、指令執行、結果存回等四個步驟，前兩者統稱為指令時間（I-Time），後兩者

統稱為執行時間（E-Time）。

CPU的設計架構有 � RISC（精簡指令集）和 CISC（複雜指令集）兩種，RISC所提

供的指令種類較少、指令功能較簡單，CISC則反之。

擁有多個相同元件以同時執行多個指令的處理器叫做 � 超純量處理器（superscalar

processor），而平行處理（parallel processing）則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。

記憶體 � 有 ROM與 RAM兩種，RAM除了供讀取，亦可寫入，在關閉電源後，資料

會消失；反之，ROM僅供讀取，無法寫入，在關閉電源後，資料不會消失。RAM

又分成 DRAM和 SRAM，而 ROM又分成 PROM、EPROM、EEPROM。

電腦內部的電子訊號是由匯流排進行傳送， � 匯流排（bus）是主機板上面的鍍銅電

路，由資料線（data line）、位址線（address line）、控制線（control line）等三組不

同的電路所組成。

週邊和主記憶體內的記憶體單元一樣會被賦予唯一的位址，常見的定址方式有 � 隔離

I/O（isolated I/O）和記憶體映射 I/O（memory-mapped I/O）兩種。

週邊通常不是直接與匯流排連接，而是透過 � 輸入 /輸出介面與 CPU和主記憶體溝

通，至於輸入 /輸出介面的資料傳輸方式則有程式控制 I/O、中斷式 I/O和直接記憶

體存取（DMA）三種。

輸入 � （input）指的是使用者放進主記憶體的資料；輸出（output）指的是電腦的運

算結果；儲存裝置（storage device）可以用來存放資料、指令或程式，常見的有硬

碟、磁帶、光碟、SAN、NAS、PC Card、智慧卡、快閃記憶體⋯。

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-46

學習評量

一、選擇題

（ ） 1. 下列何者可以產生訊號控制 CPU內部的元件完成工作？

A. 控制單元 B. 算術邏輯單元 C. 暫存器 D. 匯流排

（ ） 2. 微程式控制可以儲存於下列何者？

A. 主記憶體 B. 硬碟 C. 快閃記憶體 D. 快取記憶體

（ ） 3. 1011 AND 1101的結果為何？

A. 1111 B. 1001 C. 1011 D. 1101

（ ） 4. 1011 OR 1101的結果為何？

A. 1111 B. 1001 C. 1001 D. 0110

（ ） 5. 1011 XOR 1101的結果為何？

A. 1111 B. 1001 C. 1001 D. 0110

（ ） 6. 若要取得 10100011左邊四個位元，可以和下列何者做 AND運算？

A. 00001111 B. 11110000 C. 11111111 D. 00000000

（ ） 7. 若要進行條件跳躍，可以使用下列哪個機器指令？

A. LOAD B. SHIFT C. JUMP D. XOR

（ ） 8. 若要進行位元旋轉，可以使用下列哪個機器指令？

A. STORE B. AND C. BRANCH D. ROTATE

（ ） 9. 下列何者不屬於可見暫存器？

A. 通用暫存器 B. 指令暫存器

C. 資料暫存器 D. 條件碼暫存器

（ ）10. 下列何者可以用來存放下一個要執行之指令在主記憶體的位址？

A. 程式計數器 B. 指令暫存器

C. 記憶體位址暫存器 D. 記憶體緩衝暫存器

（ ）11. 下列何者可以控制主機板上面的元件及電路，並協調各個介面？

A. 時脈產生器 B. 晶片組 C. BIOS D. USB

（ ）12. 下列何者適合用來評估超級電腦的效能？

A. GHz B. MIPS C. MFLOPS D. TPS

5-47

計算機組織

（ ）13. 下列哪個單位為 2的 50次方？

A. MB B. PB C. TB D. GB

（ ）14. 將程式計數器遞增以記錄下一個指令的位址屬於機器循環週期的哪個

步驟？

A. 擷取 B. 解碼 C. 執行 D. 存回

（ ）15. 下列何者可以當做快取記憶體使用？

A. DRAM B. SDRAM C. EEPROM D. SRAM

（ ）16. 下列何者可以用來儲存 BIOS？

A. DRAM B. SDRAM C. EEPROM D. SRAM

（ ）17. 下列關於 RISC的敘述何者為非？

A. 指令集較精簡，容易學習 B. 採用微程式控制的方式來製作

C. 控制電路較簡單 D. 指令可以在一個時鐘週期內完成

（ ）18. 下列何者是以多個處理單元來執行程式以提昇效率？

A. 管線 B. 超純量 C. 平行處理 D. 類神經網路

（ ）19. 下列哪個介面可以一次串接 128個周邊？

A. IEEE 1394 B. PS/2 C. USB D. SCSI

（ ）20. 下列何者的傳輸速度最快？

A. 序列埠 B. SCSI C. IEEE 1394 D. 平行埠

（ ）21. 假設 CPU裡面有三個元件分別負責指令的擷取、解碼、執行 /存回，而且

所需的時間為 12ns、10ns、15ns，若以傳統的做法來執行 100個指令，則

所需的時間為何？

A. 3700ns B. 1850ns C. 925ns D. 1530ns

（ ）22. 承第 21.題，若改以管線的技術來執行 100個指令，則所需的時間為何？

A. 3700ns B. 1850ns C. 925ns D. 1530ns

（ ）23. 承第 21.題，若改以能夠同時執行兩個指令的超純量處理器來執行 100個

指令，則所需的時間為何？

A. 3700ns B. 1850ns C. 925ns D. 1530ns

（ ）24. 承第 21.題，若改以能夠同時執行四個指令的超純量處理器來執行 100個

指令，則所需的時間為何？

A. 3700ns B. 1850ns C. 925ns D. 1530ns

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Computers最新計算機概論

5-48

（ ）25. 承第 21.題，若改以能夠同時執行兩個指令的超純量處理器結合管線技術

來執行 100個指令，則所需的時間為何？

A. 3700ns B. 1850ns C. 925ns D. 1530ns

（ ）26. 下列何者決定了電腦一次可以同時傳輸多少位元？

A. 頻寬 B. 字組大小 C. 時脈 D. 匯流排寬度

（ ）27. 下列何者為時脈的單位？

A. MIPS B. GHz C. bps D. PPM

（ ）28. 下列何者不屬於輸入裝置？

A. 數位攝影機 B. 語音回應系統 C. 掃描器 D. 滑鼠

（ ）29. 下列何者不屬於輸出裝置？

A. CRT B. DV C. PDP D. DLP

（ ）30. 下列何者不是 I/O模組的工作？

A. 資料快取 B. 資料緩衝 C. 錯誤偵測 D. 與週邊裝置溝通

（ ）31. 下列哪種資料傳輸方式最浪費 CPU的時間？

A. 中斷式 I/O B. 輪詢式 I/O C. DMA D. ATA

（ ）32. 下列何者屬於輸入的類型？

A. 資料 B. 命令 C. 回應 D. 以上皆是

（ ）33. 下列何者不屬於輸出的類型？

A. 文字 B. 圖形 C. 視訊 D. 軟體

（ ）34. 下列何者不屬於非撞擊式印表機？

A. 噴墨印表機 B. 雷射印表機 C. 行列式印表機 D. 熱感應印表機

（ ）35. 下列何者不屬於儲存裝置？

A. DVD B. NAS C. DAT D. CMOS

（ ）41. 下列哪種磁碟陣列的組織方式會使用備份磁碟？

A. 等量分配 B. 雜湊 C. 鏡射 D. 階層分配

（ ）42. 下列何者無法重覆寫入資料？

A. QIC B. CD-RW C. VCD D. DVD-RAM

（ ）43. 下列何者不是磁帶的優點？

A. 容量大 B. 隨機存取 C. 成本低 D. 重覆讀寫

5-49

計算機組織

（ ）44. 企業儲存系統結合了下列哪種儲存技術？

A. 儲存區域網路（SAN） B. RAID

C. 光碟櫃 D. 以上皆是

（ ）45. 下列何者不屬於固定狀態儲存裝置（solid state storage device）？

A. PC Card B. 快閃記憶體 C. DVD D. Smart Card

（ ）46. 無論是資料、指令或程式都是以下列哪種形式存放在儲存裝置？

A. 目錄 B. 檔案 C. 資料夾 D. 資料庫

二、簡答題

1. 簡單說明記憶體分成哪三個階層？

2. 簡單說明何謂機器循環週期（machine cycle）？

3. 簡單說明MHz、GHz的意義。

4. 簡單說明快取記憶體的用途與層次。

5. 簡單說明何謂匯流排寬度與字組大小？

6. 簡單說明何謂指令集與向下相容性？

7. 簡單比較 RISC與 CISC。

8. 簡單說明何謂超純量處理器？

9. 簡單說明何謂平行處理？

10. 簡單說明何謂系統匯流排與擴充匯流排？

11. 假設有兩個編譯程式在一部時脈速度為 800MHz的電腦上做測試，該電腦的指

令有 A、B、C三種類型，時脈週期分別為 3、2、1，已知第一個編譯程式產

生的目的碼包含 10百萬個指令 A、10百萬個指令 B、50百萬個指令 C，而第

二個編譯程式產生的目的碼包含 10百萬個指令 A、10百萬個指令 B、100百

萬個指令 C，試問：

（1） 根據MIPS的定義，哪個編譯程式編譯出來的目的碼執行較快？

（2） 根據執行時間，哪個編譯程式編譯出來的目的碼執行較快？

12. 簡單說明記憶體的種類與用途。

13. 簡單說明輸入裝置的用途並舉出五個實例。

14. 簡單說明輸出裝置的用途並舉出三個實例。

15. 簡單說明何謂線上儲存裝置與離線儲存裝置？