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Computer Hardware
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內容
CPU Program Execution 測量 CPU 的速度 儲存體的基本認識
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Computer System
輸入(input)
處理(processing)
輸出(output)儲存
(store)
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CPU
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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)
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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
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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
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算術運算
加法減法乘法除法
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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
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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
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ALU
How to Work?
Control Unit
memory
registerregisterregister…
register抓取指令
存取資料
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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…
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找一台體質優良的電腦
鍋子要準備好…
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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…
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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
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可以廢物利用,但不要虐待電腦…
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The Storage
ALUControl Unit
registerregisterregister…
register抓取指令
存取資料memory
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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
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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
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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
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Memory cells arranged by address
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資料表示法開 /關 (On/Off)
使用二進位系統來表示電路的狀態
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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
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The organization of a byte-size memory cell
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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
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