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作業系統 第二章 硬體結構 第二章 硬體結構 CPU 暫存器 范紐曼機 儲存裝置 I/O 結構 儲存階層 硬體保護 摘要 CPU CPU就是中央處理器 是電腦系統的心臟 專門處理各種運算 負責與週邊設備溝通 有效利用CPU是提高系統效能的關鍵之一 軟體─CPU 排程 硬體─階層式架構 電腦與週邊 暫存器 CPU 與暫存器 CPU 要對任何資料作運算前，必須先將資料載入到暫存器中。 暫存器功用與記憶體類似，是最接近 CPU 的記憶體。 CPU 存取暫存器的速度相當快，所以把資料存到暫存器之後再作運算，可以加快資料處理的速度。 暫存器 (續) 特殊用途暫存器與一般用途暫存器 特殊用途暫存器：用來控制硬體所提供的特殊功能或是有特殊用途的暫存器。 如 Intel 486 相容的架構下有 4 個特殊用途的暫存器 ─ CR0、CR1、CR2、CR3。 一般用途暫存器：一般用途的暫存器可以用來存放資料或是記憶體的位址。 如 Intel 486 相容架構下的 EAX、EBX、ECX、EDX。 范紐曼機 范紐曼機是美國普林斯頓大學的范紐曼博士所提出來的電腦系統架構。 他將電腦大致分為 5 個單元 算術邏輯單元 控制單元 記憶單元 輸入單元 輸出單元 CPU 是由算術邏輯單元及控制單元組合而成的。 范紐曼機 (續) 第二章 硬體結構 CPU 儲存裝置 記憶體 快取 磁碟 磁帶 I/O 結構 儲存階層 硬體保護 摘要 儲存裝置 主記憶體通常會有下列的缺點 主記憶體通常不大，無法將所有要執行的程式同時載入。 主記憶體大多是屬於揮發性記憶體。 因此電腦系統提供輔助記憶體來彌補主記憶體的不足。 儲存裝置 (續) 輔助記憶體是用來長期儲存大量的資料，如 磁碟 光碟 磁帶 軟碟 不同的裝置其存取速度、容量、體積大小、價格及物理性質也大不相同。 記憶體 記憶體大致上分為 ROM 與 RAM 兩種。 下面介紹幾種不同類型的記憶體 快取 快取是提昇系統效能的重要機制 存取記憶體必須透過匯流排傳送資料到暫存器內，所以需要花費許多時間。 快取是加在 CPU 與主記憶體間的快速記憶體，當 CPU 在存取主記憶體的資料時，會複製一份相同的資料到快取之中，等 CPU 下次讀取相同一段記憶體位址的資料時，就能夠直接從快取中讀出。 快取的速度與成本皆高於主記憶體。 小心選擇快取的大小及好的管理策略，可以讓 80% 到 99% 的資料都能在快取中找到。 磁碟 磁碟是電腦系統中常見的輔助記憶體，由下列機構所組成 磁盤 磁軌 磁區 磁柱 讀寫頭 磁碟臂 驅動器 影響磁碟讀取速度的因素 傳送速率 定位時間，或稱為隨機存取時間 搜尋時間 旋轉延遲 磁碟構造圖 磁帶 磁帶是早期就有的輔助記憶體 以循序的方式來存取資料，較花時間 。 可以儲存大量資料。 主要的用途是備份大型系統的資料。 第二章 硬體結構 CPU 儲存裝置 I/O 結構 匯流排 控制器 I/O 中斷 直接存取記憶體 儲存階層 硬體保護 摘要 I/O結構 CPU 和週邊設備有兩種溝通方式 I/O 對映 CPU 透過特殊的指令控制週邊設備。 記憶體對映 I/O CPU 與週邊設備間建立起相同的記憶體位址空間，彼此就以這段位址傳遞指令與資料。 匯流排 匯流排可以分成 3 個主要的部分 定址匯流排 資料匯流排 控制匯流排 匯流排 下面是幾種常見的匯流排規格 ISA PCI IDE USB SCSI Pentium 系統結構圖 控制器 一個週邊設備包括了兩個部分 控制器 裝置本身 控制器會有一些暫存器可以用來控制裝置 驅動程式必須要有能力去存取這些暫存器 I/O 對映與記憶體對映 I/O 兩種方式就是將資料或指令寫入這些暫存器內來驅動裝置 控制器是 CPU 與週邊設備溝通的橋樑 I/O 對映 每一個控制器上的暫存器都被給定一個特殊的 I/O 埠。 Intel 的 IN 跟 OUT 指令可以用來分別讀出或寫入暫存器的值。 記憶體對映 I/O 記憶體對映 I/O 是將週邊設備的暫存器映對到記憶體位址空間。 CPU 在存取這些暫存器時，就像是在存取記憶體裡面的值一樣。 記憶體對映 I/O (續) I/O 中斷 一個 I/O 動作包含了下面的步驟 CPU 將資料載入到裝置控制器的暫存器中。 裝置控制器依照暫存器裡面的值，讓裝置動作。 發出一個中斷訊號通知 CPU 工作已經完成了。 有兩種等待中斷訊號的方式 同步 I/O 非同步 I/O 需要記錄所有週邊裝置的狀態，如裝置狀態表。 裝置狀態表 直接記憶體存取 (DMA) 沒有 DMA 的控制器若想要存取記憶體中的資料，就必須依賴 CPU 的幫忙。 DMA 控制器的兩個特性