中央處理單元與記憶體的運(yùn)作.ppt

1、1,計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),目錄,9-1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)作架構(gòu) 9-2中央處理單元與記憶體的運(yùn)作 9-3輸入輸出系統(tǒng) 9-4輔助儲(chǔ)存系統(tǒng) 9-5強(qiáng)化運(yùn)算效能的方案,9-1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)作架構(gòu),范紐曼式計(jì)算機(jī)架構(gòu) 輸入設(shè)備 CPU和記憶體 輸出設(shè)備 輔助儲(chǔ)存設(shè)備 匯流排,范紐曼式計(jì)算機(jī)架構(gòu)-1：,第一部一般用途的真空管電腦ENIAC於賓州大學(xué)問世，能用來計(jì)算彈道等軍事用途。不過在這部大象級(jí)的電腦上寫程式的方式很特別，就是重組電路，將真空管拔來拔去，而且要換上新的計(jì)算公式，就得再來一次，真的很不方便，過程中也很容易引起故障。,范紐曼式計(jì)算機(jī)架構(gòu)-2：,1945年匈牙利數(shù)學(xué)家范紐曼（John von Neuman

2、n）接續(xù)了ENIAC的成果，發(fā)展了新一代可以將指令儲(chǔ)存在電腦記憶體內(nèi)的EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），內(nèi)儲(chǔ)程式（Stored Program）的觀念正式問世。,范紐曼式計(jì)算機(jī)架構(gòu)-3：,范紐曼的構(gòu)想是將這些指令也儲(chǔ)存在電腦裡，就像資料一樣，如此就不必拆換硬體線路。而每次在執(zhí)行一個(gè)新程式時(shí)，只需把程式重新輸入就可要求電腦工作，這就是內(nèi)儲(chǔ)程式觀念。這樣的概念使得電腦的實(shí)用性大增，同時(shí)能以很快的速度發(fā)展應(yīng)用軟體，讓電腦成為有用的利器。目前為止，主流的電腦仍是范紐曼式計(jì)算機(jī)架構(gòu)。,范紐曼式計(jì)算機(jī)架構(gòu)-4：,在此架構(gòu)下，電腦可

3、以用程式來設(shè)計(jì)功能，使它成為能接受資料（輸入），再處理成有用的資訊（輸出），並將其轉(zhuǎn)存到其它地方（輔助儲(chǔ)存設(shè)備）作為備分或方便以後使用。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行資料處理需要四個(gè)功能：輸入、運(yùn)算處理、輸出和儲(chǔ)存，而支援這四項(xiàng)功能的電腦硬體分別是輸入設(shè)備、處理器和記憶體、輸入設(shè)備及儲(chǔ)存設(shè)備。,支援電腦運(yùn)作功能的電腦硬體-1：,輸入設(shè)備（Input Device）：可以接受電腦所能使用的資料格式與指令，並把這些資料指令送給處理器。 處理器（Processor）和記憶體（Memory）：處理器通常都稱為中央處理單元（Central Processing Unit， CPU），主要是由電子線路所組成，它能將送進(jìn)

4、來的資料運(yùn)算處理成想要的結(jié)果，中央處理單元是真正執(zhí)行電腦指令的部分。記憶體也是電子線路組成，是和中央處理單元配合，用來儲(chǔ)存資料以及指令。,支援電腦運(yùn)作功能的電腦硬體-2：,輸出設(shè)備（Output Device）：將處理過的資料，以各種令人們可以了解及可以使用的方式顯示出來。 儲(chǔ)存設(shè)備（Storage）：在此指的是輔助儲(chǔ)存設(shè)備（Secondary Storage），例如磁碟（硬式磁碟或軟式磁碟），可以將資料和程式儲(chǔ)存在電腦外部。而提供這些設(shè)備資料的是記憶體（Memory），處理器能將記憶體的內(nèi)容搬到輔助儲(chǔ)存設(shè)備裡。,電腦的運(yùn)作架構(gòu)示意圖：,輸入設(shè)備：,輸入，就是餵資料給電腦系統(tǒng)處理，一般較常用的

5、輸入設(shè)備有鍵盤、滑鼠、光筆、掃描器、搖桿、數(shù)位轉(zhuǎn)換器、觸摸式螢?zāi)?、讀卡機(jī)、磁碟機(jī)等。,在鍵盤上輸入：,電腦鍵盤和打字機(jī)的操作方法幾乎相同，電腦會(huì)反應(yīng)您敲入了什麼，也就是您可以在電腦螢?zāi)簧峡吹捷斎氲淖衷?利用滑鼠來點(diǎn)指：,滑鼠是一個(gè)可用手操作滑動(dòng)在平面上的設(shè)備，滑動(dòng)時(shí)底部的圓球會(huì)滾動(dòng)，同時(shí)傳回移動(dòng)信號(hào)，讓螢?zāi)簧系闹笜?biāo)也跟著移動(dòng)，位置座標(biāo)的關(guān)係則是相對(duì)的，而按下滑鼠上的按鈕可讓您執(zhí)行指令。,CPU和記憶體-1：,CPU是真正將資料轉(zhuǎn)換成有用資訊的設(shè)備。資料是一些未經(jīng)電腦處理的數(shù)據(jù)，例如消費(fèi)的金額、上班的打卡時(shí)間、貨品的價(jià)格、車子的行走距離等，而資料在經(jīng)過處理後，就會(huì)轉(zhuǎn)換成有意義的資訊，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換

6、的過程中，資料將被組織化，帶有意義而且有用。 舉例來說，學(xué)校中的老師可以輸入不同學(xué)生的成績(jī)（這個(gè)是資料），而這些資料可以被處理，然後算出期末成績(jī)或全班總平均（這就是資訊）。,CPU和記憶體-2：,資料本身可能不代表太多意義，可是當(dāng)它轉(zhuǎn)換成資訊時(shí)，將變得有用。 例如銷售分析的電腦系統(tǒng)可以將每個(gè)人在商場(chǎng)的消費(fèi)項(xiàng)目、金額、時(shí)間以及個(gè)人資訊綜合整理起來，經(jīng)過計(jì)算分析後，就可以了解大眾的消費(fèi)習(xí)慣，進(jìn)一步反應(yīng)在供貨項(xiàng)目與寄發(fā)相關(guān)傳單給特定的族群。,CPU和記憶體-3：,電腦記憶體，又名主記憶體（Primary Storage），它和CPU的關(guān)係密切，卻又不是CPU的一部分，記憶體裡儲(chǔ)存著已經(jīng)由輸入設(shè)備輸入

7、但尚未被處理的資料，當(dāng)然，它也儲(chǔ)存已經(jīng)被CPU處理但尚未送至輸出設(shè)備的資訊。而且，記憶體也存放CPU所需要的程式（電腦指令）。 一般而言在持續(xù)通電的情況下，記憶體可以短暫地儲(chǔ)存資料，但若電流受到干擾，資料就會(huì)遺失了。,輸出設(shè)備-1：,這裡指的是輸出CPU處理資料轉(zhuǎn)換成為有意義的資訊結(jié)果，當(dāng)然，這也是電腦存在的理由。輸出的東西通常是有用的資訊，也就是說，輸入的資料藉由電腦處理變成了資訊，文字、數(shù)字、圖表，甚至是聲音，都是輸出最常見的格式。 舉例來說，文字輸出可能是辦公室的人們利用文書處理軟體所準(zhǔn)備的信件和備忘錄，而有些人可能會(huì)對(duì)公式、行程和預(yù)算等數(shù)字較有興趣。一般來說，將數(shù)字以圖表方式表示，較容

8、易被理解。,輸出設(shè)備-2：,最常見的輸出設(shè)備是電腦螢?zāi)缓陀”頇C(jī)。顯示器上的螢?zāi)荒苡性S多不同呈現(xiàn)方式，諸如文字、數(shù)字、符號(hào)、插圖、相片甚至影片等。印表機(jī)則是聽從電腦程式的命令列印出各種形式的資訊。,輔助儲(chǔ)存設(shè)備-1：,輔助儲(chǔ)存設(shè)備提供了和電腦記憶體不同的資料儲(chǔ)存方式，因?yàn)橛洃涹w只能暫時(shí)地保存資料和程式，相對(duì)地顯現(xiàn)了輔助儲(chǔ)存設(shè)備的必要性。 常見的兩個(gè)輔助儲(chǔ)存設(shè)備是磁碟（Disk）和磁帶（Tape），磁碟是用圓盤的型式，有軟式磁碟和硬式磁碟兩種，硬式磁碟比軟式磁碟有著更多的儲(chǔ)存空間，而且存取資料的速度也快上許多。,輔助儲(chǔ)存設(shè)備-2：,在大型電腦系統(tǒng)中，硬式磁碟通常是一整組的設(shè)備，包含了磁片與磁碟機(jī)，

9、磁片是可以抽換的；而小型電腦系統(tǒng)所使用的硬式磁碟，磁碟機(jī)和磁片是包裝在一起的，無法獨(dú)立抽換磁片（溫徹斯特式）。 磁碟的另一種進(jìn)化型式是光碟，光碟有唯讀與可寫入兩種，它是使用光學(xué)原理在塑膠片上儲(chǔ)存大量資料，儲(chǔ)存成本相當(dāng)便宜，不過速度還是比硬式磁碟慢些。,輔助儲(chǔ)存設(shè)備-3：,磁帶是以連續(xù)的磁性塑膠帶子來儲(chǔ)存資料，通常是放在卡匣裡，就像錄音機(jī)播放的錄音帶一樣，當(dāng)電腦系統(tǒng)要讀取或更新磁帶中的資料時(shí)，則必須利用磁帶機(jī)來讀取，由於磁帶很便宜容量又大，通常被拿來做為備份電腦資料用途。,匯流排-1：,匯流排（BUS）是在電腦機(jī)板上的一部分，在英文原文中之所以用巴士這個(gè)稱呼，係取自於意義運(yùn)輸工具。 匯流排是一組

10、平行的電路，負(fù)責(zé)將資料從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方，能將處理器、記憶體、輸出入介面通通連起來。 匯流排的寬度是指其一次所能傳輸?shù)淖畲筚Y料量，例如16位元?jiǎng)t代表有16條平行電路為一組的匯流排。,匯流排-2：,匯流排的寬度和CPU有關(guān)，若CPU對(duì)外的資料線只有8條，那就只有8位元的匯流排可用。所以理論上來說，能一次同時(shí)處理64位元資料的CPU，應(yīng)能配有64位元的資料匯流排。 資料匯流排是匯流排通路的一種，主要的工作是在CPU和記憶體之間，來回傳送需要處理或是需要儲(chǔ)存的資料。,9-2中央處理單元與記憶體的運(yùn)作,算術(shù)邏輯單元ALU 控制單元Control Unit 暫存器Rigister 記憶體Memor

11、y 記憶體定址方式 時(shí)脈與指令的執(zhí)行週期 快取記憶體Cache,中央處理單元（CPU）：,CPU包含了兩個(gè)重要部分：控制單元和算術(shù)邏輯單元，各有各的特定功能組合。,算術(shù)邏輯單元ALU-1：,算術(shù)邏輯單元（Arithmetic/Logic Unit，ALU）主要負(fù)責(zé)電腦內(nèi)部資料的算術(shù)運(yùn)算與邏輯判斷。ALU可以執(zhí)行算術(shù)指令或數(shù)學(xué)運(yùn)算。例加法、減法、乘法和除法，還有位元資料處理如布林運(yùn)算：AND、OR、NOT或位移，而且也可以執(zhí)行邏輯指令。,算術(shù)邏輯單元ALU-2：,邏輯指令通常以比較指令為主，可以比較數(shù)字、字母或特別字元，而電腦可以根據(jù)比較的結(jié)果處理指令。這是一個(gè)相當(dāng)重要的功能，因?yàn)殡娔X可以藉著這

12、項(xiàng)功能，來辨別滑鼠是否移動(dòng)、銀行還有沒有存款，溫度是否高到要開啟冷氣壓縮機(jī)，電子郵件帳號(hào)密碼是否正確等。,邏輯運(yùn)算可以測(cè)試三個(gè)條件：,等於條件：本條件在測(cè)試兩個(gè)數(shù)字是否相等。 小於條件：本條件在測(cè)試一個(gè)數(shù)字是否小於另一個(gè)。 大於條件：本條件在測(cè)試一個(gè)數(shù)字是否大於另一個(gè)。,算術(shù)邏輯單元ALU-3：,電腦可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)條件，算術(shù)邏輯單元可以接受6種邏輯關(guān)係：等於、小於、大於、小於或等於、大於或等於、還有小於或大於，注意，小於或大於即為不等於。 用來表示比較類型的這種符號(hào)稱為關(guān)係運(yùn)算元。最常見的運(yùn)算元有等於符號(hào)（=），小於符號(hào)（）。別小看這些基本的東西，這些再組合布林運(yùn)算就可以做出非常複雜的判斷，

13、即使是具有人工智慧的程式，也是由這些邏輯運(yùn)算來組成。,控制單元Control Unit：,控制單元（Control Unit）是整個(gè)電腦的運(yùn)作指揮中樞，負(fù)責(zé)監(jiān)督或協(xié)調(diào)主記憶體、算術(shù)邏輯、輸入與輸出各單元之間的動(dòng)作以及資料的傳輸。 當(dāng)程式執(zhí)行時(shí)，控制單元將所要執(zhí)行的指令載入並加以解析（Decoding），決定要執(zhí)行何種工作，再根據(jù)解析的結(jié)果發(fā)出信號(hào)，控制各單元配合執(zhí)行該指令所要做的工作。,暫存器Register：,暫存器（Register）是可以暫時(shí)存放指令或資料的地方。他們並不算是記憶體的一部分，而是在CPU內(nèi)的額外小型儲(chǔ)存區(qū)，控制與邏輯運(yùn)算單元存取暫存器時(shí)並不需要經(jīng)過匯流排，所以能夠快速存取

14、資料。 暫存器是由控制單元直接指揮，用來接受、保留或轉(zhuǎn)換指令與資料，及快速地完成運(yùn)算或邏輯的比較。,CPU的暫存器各種特殊用途：,累加暫存器（Accumulater）：可以儲(chǔ)存計(jì)算後的結(jié)果。 位址暫存器（Address Register）：可以記錄指令或資料存放在記憶體中的位址。記憶體中的每一個(gè)儲(chǔ)存位置都會(huì)有一個(gè)位址，就像飯店的房間號(hào)碼一樣。 資料暫存器（Data Register）：可以暫時(shí)保留想送到記憶體或從記憶體抓取過來的資料。 通用暫存器（General Register）：可以用在幾個(gè)用途，如算術(shù)指令等。,暫存器的標(biāo)準(zhǔn)大?。?暫存器的標(biāo)準(zhǔn)大小，一般等同於CPU的位元處理能力大小。 例

15、如64位元的CPU，就會(huì)配有幾個(gè)64位元大小的暫存器，而在64位元的CPU處理8位元的資料與64位元的資料，其效率通常是相同的，所以程式就要儘可能以64位元為單位來設(shè)計(jì)處理資料的方法。,以下是暫存器和其它儲(chǔ)存設(shè)備的不同處：,暫存器可立即儲(chǔ)存與執(zhí)行和作業(yè)有關(guān)的資料，記憶體則儲(chǔ)存最近要使用的資料，用到時(shí)必須移進(jìn)或移出暫存器，而輔助儲(chǔ)存設(shè)備則可以將執(zhí)行程式所需用的資料儲(chǔ)存起來，不管多久後才要使用都沒有關(guān)係。,以下就是貨品結(jié)算程式運(yùn)用不同儲(chǔ)存設(shè)備的示範(fàn)：,貨品的單價(jià)與數(shù)量以及現(xiàn)在的加總放於暫存器中待用，而其它資料例如該項(xiàng)貨品的名稱、供貨點(diǎn)、庫(kù)存則存於記憶體中待用，其餘貨品的資料則在輔助儲(chǔ)存設(shè)備中。 當(dāng)

16、電腦完成一項(xiàng)貨品的計(jì)算後，將加總放回記憶體，然後從輔助儲(chǔ)存設(shè)備中抓取下一項(xiàng)貨品的資料放入記憶體，再移動(dòng)必要資料到暫存器繼續(xù)運(yùn)算。,示意圖：,記憶體Memory-1：,記憶體（Memroy）也稱為Primary Storage、Primary Memory、main storage、內(nèi)部?jī)?chǔ)存單元及主記憶體，指的都是同一件東西，而製造商通常是使用RAM（Random Access Memory）這個(gè)名稱，代表隨機(jī)存取記憶體的意思。 隨機(jī)的意思就是CPU可以隨時(shí)存取在記憶體中任一位置的資料，而且不論資料的排列順序是前是後，時(shí)間都幾乎一樣。,記憶體Memory-2：,記憶體主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存等待執(zhí)行的程式與

17、資料，也就是說可以記憶或儲(chǔ)存由輸入單元所傳入的任何資料，再等待電腦做更進(jìn)一步的處理。 雖然記憶體和CPU的關(guān)係密切，但它並不是CPU的一部分，只存放程式執(zhí)行中需要用到的指令或資料?；赌承├碛桑挥挟?dāng)程式執(zhí)行時(shí)，才需要將相關(guān)的資料存放在記憶體中。,以下就是CPU處理資料的方式：,CPU無法直接在輸入設(shè)備或磁碟上處理資料，必須先將資料載入存放在記憶體內(nèi)。 資料和指令由控制單元透過匯流排負(fù)責(zé)傳送到記憶體。 控制單元會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間將記憶體中的資料送進(jìn)ALU中進(jìn)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算，等到ALU處理完畢，再將資訊送回記憶體中，這些資訊會(huì)被保留直到準(zhǔn)備傳送到輸出或儲(chǔ)存設(shè)備為止。,記憶體晶片：,是構(gòu)成記憶體的實(shí)

18、質(zhì)元件。 現(xiàn)代電腦大部分都使用半導(dǎo)體記憶體，主要由矽來構(gòu)成，它有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：可靠度高、體積小、低價(jià)位以及低功率。 半導(dǎo)體記憶體可以大量製造，所以記憶體的價(jià)位也大幅降低。而晶片的價(jià)錢雖會(huì)因經(jīng)濟(jì)和政治的因素不斷的起起伏伏，可是仍然蠻廉價(jià)的。 半導(dǎo)體記憶體屬非長(zhǎng)存型，也就是說，半導(dǎo)體儲(chǔ)存元件需要連續(xù)不斷的電流才能保留資料，當(dāng)電源關(guān)掉後，資料也就跟著消失。,奈米：,進(jìn)入了奈米（10的-9次方公尺）時(shí)代，可能會(huì)改變記憶體與輔助儲(chǔ)存設(shè)備的分野。 奈米碳管CNT（Carbon Nano Tube）技術(shù)，同時(shí)能具有RAM的通電可存取性質(zhì)，又能在不通電時(shí)，還保留原本的資料，而且速度遠(yuǎn)比矽晶片快。,記憶體定址方式-

19、1：,記憶體中的每條指令以及資料所存放的位置都會(huì)被標(biāo)示一個(gè)位址（Address）。也就是說，每一個(gè)存放位置都有一個(gè)位址號(hào)碼，就像飯店每個(gè)房間都有號(hào)碼一樣。,記憶體定址方式-2：,這些位置的位址號(hào)碼不會(huì)改變，但位置內(nèi)的內(nèi)容（指令和資料）卻可以一直變動(dòng)。因此，當(dāng)舊的資料已不再需要被儲(chǔ)存時(shí)，它在記憶體中的位置就會(huì)用來儲(chǔ)存新的指令或資料。它與房間的不同之處在於每一個(gè)記憶體位置只能放固定數(shù)量的資料，不能高興就多塞一點(diǎn)，通常每一個(gè)位址只能存放一個(gè)位元組。,時(shí)脈與指令的執(zhí)行週期：,時(shí)脈（Clock）是讓電腦裡的處理單元、記憶體、輸出入系統(tǒng)同步的一種信號(hào)。就像是音樂的節(jié)奏，不整齊劃一，就沒辦法協(xié)調(diào)演出。 電腦

20、系統(tǒng)的時(shí)脈是由一個(gè)定時(shí)震盪器所產(chǎn)生，通常是石英做的，別懷疑，您的手錶裡也有。通常時(shí)脈很快，每秒中約可震盪達(dá)數(shù)百M(fèi)ega（百萬）次，單位為Hz。時(shí)脈會(huì)連接到電腦主機(jī)板上的各種運(yùn)作單元，做為運(yùn)作的基準(zhǔn)。 一般而言，CPU一個(gè)時(shí)脈最快能執(zhí)行完一條指令，所以時(shí)脈越快，電腦的運(yùn)算效能就越高。,以下就是CPU結(jié)合記憶體以執(zhí)行一個(gè)電腦程式的方式-1：,在指令執(zhí)行之前，程式指令和資料必須先從輸入設(shè)備或輔助儲(chǔ)存設(shè)備放進(jìn)記憶體中。當(dāng)所需要的資料和指令已經(jīng)在記憶體中時(shí)，CPU就會(huì)為每一條指令完成下面四項(xiàng)步驟： 抓取（Fetching）：控制單元從記憶體中抓取指令。 解碼（Decoding）：控制單元將指令解碼（辨識(shí)

21、此指令的功能），然後將所需要的資料從記憶體移至ALU。 執(zhí)行（Executing）：執(zhí)行解碼後動(dòng)作（算術(shù)指令或邏輯指令），由ALU控制並對(duì)資料執(zhí)行實(shí)際的指令。 儲(chǔ)存（Storing）：ALU將指令執(zhí)行的結(jié)果存放在記憶體或暫存器中。,以下就是CPU結(jié)合記憶體以執(zhí)行一個(gè)電腦程式的方式-2：,步驟1和2合稱為指令時(shí)間（I-time），步驟3和4合稱為執(zhí)行時(shí)間（E-time）。 控制單元最後會(huì)將記憶體中的結(jié)果送進(jìn)輸出設(shè)備或輔助儲(chǔ)存設(shè)備中。 I-time和E-time加起來稱為機(jī)器循環(huán)週期（Machine Cycle）。,示意圖：,補(bǔ)充說明：,每一個(gè)機(jī)器循環(huán)指令可能是由一連串小指令（稱為微指令）組成，而

22、每一個(gè)微指令至少需要一個(gè)時(shí)脈的循環(huán)時(shí)間。 每一個(gè)CPU被設(shè)計(jì)了解一組稱為指令集（Instruction Set）的特定指令，例如像是ADD（加法）或是JP（跳躍分支）。,快取記憶體Cache：,快取記憶體（Cache）是一小塊反應(yīng)相當(dāng)快的記憶體，它是為了加速內(nèi)部資料和軟體指令傳輸?shù)忍厥饽康亩O(shè)計(jì)的。您可以把快取記憶體想像成是秘書型記憶體，因?yàn)榇娣旁诳烊∮洃涹w中的資料和指令是最近或經(jīng)常被使用到的。,快取記憶體的功能：,當(dāng)CPU在Fetching階段第一次必須到主記憶體中抓取資料或指令時(shí)，由於一般的動(dòng)態(tài)存取記憶體的工作頻率與反應(yīng)速度和CPU比起來要慢上許多，導(dǎo)致CPU浪費(fèi)時(shí)間在等待記憶體回應(yīng)。 解

23、決的方式就是一兼二顧，順便將抓到的資料、指令放到CPU裡面的一塊快取記憶體，控制單元會(huì)對(duì)應(yīng)好原本的記憶體位址資料。等到下次用到時(shí)，就直接從快取中拿，而不必再跑到記憶體去要。,示意圖：,快取記憶體的運(yùn)用：,快取記憶體的運(yùn)用已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的技術(shù)，新型的微電腦處理器都把快取記憶體納入到處理器晶片中，這種是最快速的方法，稱為內(nèi)部快取。內(nèi)部快取也是最昂貴的記憶體，它佔(zhàn)用了CPU晶片寶貴的方寸大小，也因此不能過大。另一個(gè)方法是再設(shè)計(jì)另一種快取，但不放在CPU晶片中，這時(shí)速度就會(huì)稍慢，但很明顯的容量大小就可以增加許多，一般稱為L(zhǎng)2 Cache。,9-3輸入輸出系統(tǒng),埠與插斷 直接記憶體存取DMA I/O處

24、理晶片,埠與插斷-1：,完整CPU的晶片本身就包含了輸入與輸出用的接腳，對(duì)CPU來說，除了存取記憶體資料是透過資料匯流排外，對(duì)外輸入輸出設(shè)備的進(jìn)出控制就是靠這些接腳。 這些接腳通常分別被組合定義成許多的埠（Port），埠是CPU對(duì)外的吞吐口。通常所有要輸入、輸出的資料都要經(jīng)過這些埠，而且埠不會(huì)只有一個(gè)，每一個(gè)埠可以代表不同的設(shè)備進(jìn)出口，例如序列通訊埠、平行通訊埠、鍵盤控制埠等。,埠與插斷-2：,CPU要如何知道有資料要進(jìn)來呢？CPU是利用插斷（Interrupt）的技術(shù)來達(dá)成。 當(dāng)輸入設(shè)備的輸入資料到埠後，會(huì)先向CPU發(fā)出插斷，在一般的情況下，CPU會(huì)停下目前手上的工作，看看是哪個(gè)埠發(fā)出插斷，

25、緊接著就去接收那個(gè)埠的資料，完成後才會(huì)繼續(xù)原來的工作。 當(dāng)然，如果資料量大，一直在插斷CPU，是很消耗CPU的運(yùn)算時(shí)間的，另一個(gè)解決方法就是配合直接記憶體存取技術(shù)。,示意圖：,直接記憶體存取DMA-1：,直接記憶體存?。―irect Memory Access，DMA），是一種可以減輕CPU負(fù)擔(dān)的存取技術(shù)。通常當(dāng)讀取某設(shè)備裡的資料時(shí)，CPU必須先將資料從設(shè)備讀出，然後再由CPU寫到記憶體中，以上這些動(dòng)作全部由CPU控制，非常不符效率。,直接記憶體存取DMA-2：,DMA的方式是將記憶體位址指派好後，直接讓設(shè)備的資料被存放到某塊記憶體或?qū)⒛硥K記憶體直接往設(shè)備傳送，而不經(jīng)過CPU，如此一來，CPU

26、的工作負(fù)擔(dān)將減輕不少，相對(duì)地資料的傳輸將更快速，例如輔助儲(chǔ)存設(shè)備一般即是透過DMA來傳輸資料。,DMA運(yùn)作示意圖：,I/O處理晶片：,隨著I/O設(shè)備的多樣與複雜以及對(duì)於處理速度的要求，插斷和DMA已不足以完全應(yīng)付，於是就產(chǎn)生了專門用來處理I/O的I/O處理晶片，例如繪圖晶片、音效晶片、網(wǎng)路晶片等。,以下就是I/O處理晶片的用途-1：,和CPU及記憶體溝通：由於輸出/輸入設(shè)備（I/O Device） 種類繁多，它們的資料儲(chǔ)存的格式並不相同，傳輸?shù)乃俣纫脖菴PU及主記憶體慢，如果都將輸出/輸入設(shè)備直接連到匯流排，讓它們與CPU及主記憶體直接做連接，由CPU來管理資料傳輸以及格式轉(zhuǎn)換可能會(huì)造成拖慢系

27、統(tǒng)運(yùn)作效能的困擾，這些I/O晶片就可以代勞。,以下就是I/O處理晶片的用途-2：,和周邊設(shè)備做溝通：如果有資料要從電腦內(nèi)部輸出時(shí)，I/O晶片會(huì)自動(dòng)將電腦內(nèi)部的資料表示法，轉(zhuǎn)換成周邊設(shè)備看得懂的表示法後再輸出，讓電腦內(nèi)部與周邊設(shè)備可以溝通，達(dá)到通訊的目的。,以下就是I/O處理晶片的用途-3：,當(dāng)作資料緩衝區(qū)：做為輸出或輸入的緩衝區(qū)，化解周邊設(shè)備與電腦內(nèi)部的速度差異，這樣可以防止資料流失的問題。,I/O處理晶片運(yùn)作示意圖：,9-4輔助儲(chǔ)存系統(tǒng),基本磁碟系統(tǒng) 虛擬記憶體 資料壓縮 光碟儲(chǔ)存系統(tǒng),基本磁碟系統(tǒng)-1：,磁碟機(jī)是電腦將資料儲(chǔ)存到輔助記憶體的重要媒介，通?？煞譃橄铝腥N：軟式磁碟機(jī)（Flop

28、py Disk Driver）、硬式磁碟機(jī)（Hard Disk Driver）及光碟機(jī)（Compact Disk，CD） 。,基本磁碟系統(tǒng)-2：,軟碟和硬碟都是以磁性構(gòu)成的媒體，它們以磁碟上的磁化小點(diǎn)來表示資料，一個(gè)磁化小點(diǎn)表示位元1，另一個(gè)狀態(tài)的磁化則表示位元0。 從磁碟上讀資料是指把磁碟上的資料轉(zhuǎn)換成能傳送到處理器的電子訊號(hào)；寫資料到磁碟上的動(dòng)作則剛好相反，是從處理器送出電子訊號(hào)，轉(zhuǎn)換成磁碟上的磁化小點(diǎn)。磁碟通常是圓的，中心可由馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。,軟式磁碟：,軟式磁碟系統(tǒng)由IBM發(fā)展出來，一開始是直徑8吋大，後來普及化為51/4吋，這些都已經(jīng)被淘汰。目前一般個(gè)人電腦使用的磁片是31/2吋大小。

29、,軟式磁碟的特色：,軟式磁碟片是軟的，事實(shí)上是一個(gè)佈滿磁粉的塑膠圓片，它的容量並不大，存取速度也不快，最主要的特色是可以抽換，而且可以被保存在一般的室內(nèi)環(huán)境中，並不用置放在特別的無塵室裡。新型的軟碟系統(tǒng)例如I/O Mega的Zip disk，可以用非?？斓乃俣冗\(yùn)轉(zhuǎn)，而且容量也相當(dāng)大，約為同等大小軟碟的70倍。,硬式磁碟：,硬式磁碟簡(jiǎn)稱硬碟，以材料堅(jiān)硬得名，磁碟的兩面均塗有氧化的磁性物，形狀類似唱片，通常是很多片疊在一起。硬碟有不同的規(guī)格，一般而言是將一堆硬碟片組合成磁碟組（Disk Pack）。,硬式磁碟機(jī)-1：,硬式磁碟機(jī)是一個(gè)與電腦相連的周邊設(shè)備，磁碟組會(huì)被掛到磁碟機(jī)上，大型的電腦配有數(shù)十

30、個(gè)甚至上百個(gè)磁碟機(jī)。在磁碟組上即使一次只有一個(gè)磁碟被讀取或被寫入，磁碟組的其它磁碟也會(huì)同時(shí)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。,硬式磁碟機(jī)-2：,在磁碟上讀取資料的零件是存取臂（Access Arm），它會(huì)移動(dòng)讀寫磁頭到某個(gè)磁軌上的某一個(gè)位置，在存取臂末端的磁頭並沒有真正地接觸到磁碟的表面，而是飛在磁軌的上方。如果磁頭不小心接觸到磁碟表面，則稱為磁頭墜毀（Head Crash），所有的資料將會(huì)被破壞；如果磁頭碰到磁碟表面上一些外來小物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致資料毀壞。,硬式磁碟機(jī)-3：,磁碟組上會(huì)有一組存取臂在每個(gè)磁碟之間移動(dòng)，每一個(gè)存取臂上都有讀寫磁頭，一個(gè)會(huì)在表面的上方，另一個(gè)會(huì)在表面的下方。然而，一次只有一個(gè)讀寫磁頭可以做存取

31、動(dòng)作。,示意圖：,硬碟的容量：,個(gè)人電腦所使用的硬碟大都是31/2吋大小的密封磁碟，硬碟的容量在數(shù)百個(gè)百萬位元組的容量是很常見的，數(shù)千個(gè)百萬位元組的容量也不是很稀奇。 目前在硬碟上存取資料已經(jīng)非?？焖?，而且比存取軟碟資料方便。,磁碟儲(chǔ)存系統(tǒng)的存取特性：,磁碟儲(chǔ)存系統(tǒng)的資料存取特性在於隨機(jī)存取，這和主記憶體很類似，也因此在電腦系統(tǒng)中的地位歷久不衰。 隨機(jī)存取是指在一定時(shí)間內(nèi)可以存取任何指定地點(diǎn)的資料，例如一般電腦系統(tǒng)將磁碟規(guī)劃成許多同心的磁軌，每個(gè)磁軌再等分成許多磁區(qū)。,示意圖：,RAID冗餘磁碟陣列-1：,通常電腦系統(tǒng)的硬碟肩負(fù)著重要任務(wù)，只要一損毀，整個(gè)系統(tǒng)就得停頓下來等候修復(fù)。而基於安全性

32、上的考量，冗餘磁碟陣列（Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID）被發(fā)展出來。,RAID冗餘磁碟陣列-2：,RAID系統(tǒng)的原理很簡(jiǎn)單，是將幾個(gè)獨(dú)立的相同容量小硬碟機(jī)結(jié)合在一起，然後採(cǎi)取映射（Mirroring）或等量分配（Data Striping）的方式來存放資料，當(dāng)任一臺(tái)硬碟損毀時(shí)，都不會(huì)受到立即的影響，這時(shí)只要利用熱抽換技術(shù)（Hot Swap），在不關(guān)閉電腦的情況下，直接抽掉損毀的硬碟，換上一個(gè)相同規(guī)格的新硬碟就可以了。,映射：,映射是最簡(jiǎn)單的RAID方案。 道理很簡(jiǎn)單，就是用兩臺(tái)一樣的硬碟來同時(shí)存取資料，當(dāng)電腦要儲(chǔ)存資料時(shí)，就一次存兩臺(tái)，所以兩

33、臺(tái)的內(nèi)容將完全相同。就好像DNA複製一樣，互為分身的情況下，壞了哪一臺(tái)都沒有關(guān)係。,等量分配：,等量分配就比較複雜了，通常用上好幾臺(tái)硬碟，電腦在將資料寫入硬碟時(shí)會(huì)被自動(dòng)拆成許多部分，每個(gè)硬碟只儲(chǔ)存一小部分，其中有一臺(tái)硬碟儲(chǔ)存著可供恢復(fù)的檢查資訊，只要任一臺(tái)損壞，都可以恢復(fù)過來。 等量分配的好處是速度比起映射技術(shù)要快得多。,虛擬記憶體：,電腦作業(yè)系統(tǒng)所稱的記憶體，包括實(shí)體記憶體與虛擬記憶體。 實(shí)體記憶體是插在主機(jī)板上的RAM，而虛擬記憶體指的是作業(yè)系統(tǒng)利用硬碟空間來模擬出一大塊記憶體，當(dāng)主記憶體的可用空間低於某個(gè)設(shè)定值，就會(huì)將主記憶體中使用等級(jí)比較低的記憶區(qū)塊轉(zhuǎn)移到硬碟來，等需要時(shí)再放回去。 在

34、主記憶體與硬碟之間移轉(zhuǎn)資料的動(dòng)作稱為置換（Swap）。,示意圖：,以Windows系統(tǒng)舉例說明-1：,處理資訊時(shí)，若Windows回應(yīng)一個(gè)“記憶體不足”的訊息，這很有可能是因?yàn)橛驳臻g不足，導(dǎo)致Windows的虛擬記憶體也會(huì)相對(duì)地減少，這時(shí)即使加裝記憶體，還是很容易出現(xiàn)憶體不足訊息。 相對(duì)地，如果是主記憶體不太夠，但硬碟空間很多，那麼不太會(huì)出現(xiàn)記憶體不足的訊息。這是因?yàn)橹饔洃涹w不足時(shí)，Windows會(huì)利用硬碟空間來做出一大塊虛擬記憶體，不過由於置換的機(jī)率很高，會(huì)導(dǎo)致Windows速度變很慢。,以Windows系統(tǒng)舉例說明-2：,如果是主記憶體不太夠，但硬碟空間很多，那麼不太會(huì)出現(xiàn)記憶體不足的訊

35、息。這是因?yàn)橹饔洃涹w不足時(shí)，Windows會(huì)利用硬碟空間來做出一大塊虛擬記憶體，不過由於置換的機(jī)率很高，會(huì)導(dǎo)致Windows速度變很慢。,資料壓縮：,資料壓縮（Data Compression）是指透過編碼的技術(shù)，來降低資料儲(chǔ)存時(shí)所需的空間，等到需要使用時(shí)，再做解壓縮的動(dòng)作即可。壓縮的能力一般都以壓縮比來表示，壓縮比越大表示資料可以被壓縮成較小的容量，不過提高壓縮比，經(jīng)過解壓縮後，資料再呈現(xiàn)時(shí)的完整程度也會(huì)相對(duì)地降低。,壓縮的種類：,壓縮可以分成兩種：一種是經(jīng)過解壓縮後所產(chǎn)生的資料與原始資料間會(huì)產(chǎn)生誤差的壓縮法，稱為破壞性壓縮；另一種是經(jīng)過解壓縮後所產(chǎn)生的資料與原始資料間不允許任何誤差的壓縮法

36、，稱為非破壞性壓縮。,破壞性壓縮：,一般來說，經(jīng)過壓縮與解壓縮後的資料通常比未經(jīng)壓縮的資料少了某些不是很重要的部分，這種壓縮方法較常使用於多媒體資料，舉凡影像格式檔案如JPG、GIF、MPEG及聲音檔如MP3等。因?yàn)橛跋竦南嗨菩蕴啵鐚?duì)比、色差等，使用者通常不太會(huì)去注意這些微細(xì)的變化，刪除比較不重要的部分，對(duì)視覺的感官來說是不會(huì)有太多的差異，但是在儲(chǔ)存的資料量方面卻會(huì)產(chǎn)生10到30倍的差距。,非破壞性壓縮：,通常運(yùn)用在文字檔、程式檔與重要的資料，因?yàn)檫@類的資料是經(jīng)不起任何的差異產(chǎn)生。,光碟儲(chǔ)存系統(tǒng)：,光碟所使用的技術(shù)是把雷射打到佈滿金屬表層的光碟上。寫入資料時(shí)，雷射所產(chǎn)生的熱會(huì)在光碟表面上產(chǎn)

37、生小點(diǎn)。讀取資料時(shí)，使用雷射掃描光碟，透鏡會(huì)接受從不同點(diǎn)所產(chǎn)生不同的反射。,讀取是主要用途：,光學(xué)儲(chǔ)存元件以讀寫能力來分類。唯讀元件是指由製造商將資料記錄上去，以後使用者只能讀資料而不能寫入資料。 只能寫一次，可讀多次的媒體稱為WORM（Write Once Read Many）。當(dāng)寫入資料後，WORM就變成為唯讀的媒體，WORM光碟上的資料是不能消除的，對(duì)一些要求保護(hù)原來版本的資料或文件的應(yīng)用程式來說，不能消除資料的好處是很重要的，只要寫入後，沒有人可以修改或刪除這些資料。,CD-ROM唯讀光碟：,CD-ROM（Compact Disk Read-Only Memory）是一種光學(xué)科技。CD

38、-ROM有一個(gè)比其它光碟設(shè)計(jì)突出的的優(yōu)點(diǎn)，就是這種光碟的格式跟儲(chǔ)存聲音的唱片光碟相同，而且CD-ROM的儲(chǔ)存量非常驚人，每片最多可達(dá)660MB，相當(dāng)於四百多片標(biāo)準(zhǔn)31/2吋軟碟的容量，或一萬張紙可列印出的內(nèi)容。,DVD-ROM唯讀影音光碟-1：,DVD-ROM是最新型的影音數(shù)位光碟，主要用來存放高品質(zhì)影片。DVD有著4.7 GB（Gigabyte）的驚人容量，比CD-ROM足足多了七倍之多，DVD的每一面有兩層資料，一面透明而另一面是不透明的。 所謂單面雙層DVD就有8.5GB的容量，如果DVD的雙面都用上的話，容量就可跳升至17GB。除此之外，DVD光碟機(jī)也能讀取CD-ROM上的資料。,DV

39、D-ROM唯讀影音光碟-2：,DVD操作方法和CD-ROM非常類似，DVD以雷射光束讀取代表資料的微小反射點(diǎn)，但是DVD使用較短的雷射波長(zhǎng)，可以使它能更密集地讀取資料點(diǎn)，因此增加了碟片的容量。,磁光學(xué)媒體：,磁光學(xué)媒體（MO）是結(jié)合了磁碟和光碟特性所產(chǎn)生的儲(chǔ)存設(shè)備。 (MO=Magnet-Optical) 磁光學(xué)媒體擁有光碟一般的高容量，而且也可以像磁碟一樣地寫入資料，這種媒體的表面是塑膠，並填入有磁感應(yīng)的金屬晶體，寫入資料時(shí)，雷射光束在塑膠表面上融化一個(gè)小點(diǎn)，並在這個(gè)小點(diǎn)冷卻前利用磁力將晶體排列，因?yàn)榫w經(jīng)過排列，所以有些晶體會(huì)反射，有些不會(huì)反射，這樣就能使用雷射光束來讀資料。,9-5強(qiáng)化運(yùn)

40、算效能的方案,速度和功率 RISC 平行處理,速度和功率：,一般來說，CPU的運(yùn)算速度都很快，但是不同CPU在速度上還是有很大的差別。 在一部非常慢的CPU上執(zhí)行指令的速度可能是以千分之一秒為單位，而大部分CPU執(zhí)行指令的速度是以百萬分之一秒為單位。不過，一些新型的電腦可達(dá)到以奈秒為單位，即十億分之一秒的速度，目前正朝向兆分之一秒的速度努力。,計(jì)算電腦速度的方法-1：,個(gè)人電腦的CPU速度通常都以百萬赫茲（MHz）來表示，也就是每一秒能處理一百萬個(gè)時(shí)脈。 例如早期蘋果二號(hào)電腦的6502 CPU是採(cǎi)用1MHz的時(shí)脈。現(xiàn)在的CPU時(shí)脈動(dòng)輒上GHz（1000MHz），其實(shí)並不太準(zhǔn)確，因?yàn)檫@指的是CP

41、U內(nèi)部時(shí)脈，外部的時(shí)脈事實(shí)上僅有數(shù)百M(fèi)Hz。,計(jì)算電腦速度的方法-2：,第二種計(jì)算電腦速度的方法是MIPS（Million Instructions per Second），它的意義是每秒一百萬個(gè)基本指令。 例如，有著0.5MIPS速度的個(gè)人電腦能在一秒中執(zhí)行500,000個(gè)指令，高速個(gè)人電腦則可以達(dá)到100MIPS，甚至更高的速度。MIPS通常要比時(shí)脈速度準(zhǔn)確，因?yàn)橛行〤PU能比其它CPU更有效率地使用時(shí)脈中的每一個(gè)循環(huán)週期。,計(jì)算電腦速度的方法-3：,第三種計(jì)算速度的方法是百萬個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算（megaflop），也就是每秒一百萬個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算，這能表示電腦處理複雜數(shù)學(xué)計(jì)算的能力。尤其是處理三度空間

42、電腦動(dòng)畫的電腦，需要這種速度指標(biāo)。,RISC-1：,RISC（Reduced Instruction Set Computers，精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算）的意思是把CPU指令集簡(jiǎn)化，減少不必要的指令，只保留一些最基礎(chǔ)的指令，也就是因?yàn)镃PU只有少數(shù)指令，而且每個(gè)指令的執(zhí)行時(shí)間相當(dāng)短，因此CPU可以用相當(dāng)高的時(shí)脈來運(yùn)算，對(duì)於少數(shù)專業(yè)的應(yīng)用能發(fā)揮很大的功能。,RISC-2：,RISC違反了電腦發(fā)展的常規(guī)，反而不求更多的變化、更強(qiáng)的功能，它將複雜運(yùn)算的責(zé)任交給了軟體程式自己來做，而專注在將最常用的指令的效能做到最好。 事實(shí)上，這是十分合理的，因?yàn)楝F(xiàn)在的程式語言大都是高階語言，很少利用機(jī)器語言來撰寫複雜的程式，而高階語言只要發(fā)展出RISC專用編譯器，其他的工作就都一樣了，並不會(huì)對(duì)軟體程式的開發(fā)造成任何困擾。,CISC：,相對(duì)於RISC精簡(jiǎn)指令運(yùn)算，CISC（Complex Instruction Set Computers，複雜指