第18章计算机组织与结构.pptVIP

計算機概論 第十八章 計算機組織與結構 計算機概論編輯小組 大綱 簡介 階層式記憶體 中央處理機 輸入／輸出介面 計算機效能的評估 高效能計算機 18.1 簡介 一部計算機包含了中央處理機，主記憶體，輔助記憶體，輸出／輸入設備等部份，而其主要功用就是資料處理，及資料儲存與轉移。 這些基本的電腦功能，是由上述的幾個部分合力完成的，這些都稱為硬體(Hardware)。 硬體接受程式 (Programs) 的控制，依序完成人類交待它做的事，而程式包括系統程式與應用程式。 高階程式語言 (High-Level Programming Languages) 例如C、BASIC、FORTRAN等，其程式是由一連串的指令所構成。 每種高階語言都有它的語法程式 編譯器 (Compiler) 負責將程式翻成某特定電腦看得懂的機器語言(由 “0” 與 “1” 所構成)，這種被翻譯過的程式通常叫做”可執行檔” 可執行檔是由一行行的指令 (instructions) 所構成並存放在主記憶體內，中央處理機會從主記憶體一次抓一個指令，並解讀這指令的含意進而發出控制訊號指導其它元件共同完成這個指令，之後中央處理機會再抓下一個指令來執行，週而復始，直到某個指令要他停止。 中央處理機從主記憶體抓一個指令到完成這個指令的整個過程，通稱為一個 “指令循環” (Instruction Cycle)。 指令循環包含兩部分 抓取循環：指令抓取—CPU根據程式之下一個指令的位址 (通常這位址記錄在CPU的程式記錄器內 (Program Counter)) 到主記憶體去抓一個指令到CPU。 執行循環：執行指令—當指令被抓到CPU後，中央處理機內的控制單元 (Control Unit) 會依指令的含意發出控制訊號命令計算機相關元件合力完成該指令。 18.2 階層式記憶體 設計的理由 主記憶體的存取速度通常比CPU的執行速度慢很多，不幸地，但是，程式的指令皆放在主記憶體中，每當CPU要執行一個指令，就必需先將指令從主記憶體抓過來，經解碼後，執行並完成該指令的要求。 CPU的速度再快，仍受制於主記憶體的存取速度。 無法做出單一記憶體系統滿足〝快〞、〝大〞且〝便宜〞的要求，便產生了所謂的階層式記憶體系統 (Hierarchical Memory System) 。 何謂「階層式記憶體」 由若干不同的記憶裝置所組成，而非由單一種記憶裝置所構成。 目前的電腦其記憶體系統至少都有三階層：快取記憶體 (Cache) 、主記憶體 (Main Memory) 及輔助記憶體。 三階層記憶體可被折開來視為兩個二階層的記憶體，分別是 (M1, M2) 與 (M2, M3) 。 M1與M2之間是由硬體 (即高速的邏輯電路或韌體 (Firmware) ) 來做管理如MMU(記憶體管理單元 (MMU，由硬體構成))。 M2與M3之間則是由作業系統中的MMS (軟體) 來管理，反應速度較慢，通常 (M2, M3) 這兩階層記憶體系統被稱為虛擬記憶體 (Virtual Memory) 。 (M1, M2) 與 (M2, M3) 的比較(表18.1) 當代電腦的階層式記憶體系統 不同記憶裝置之存取時間與單價比較 18.3 中央處理機 主要功能 中央處理機(CPU)的主要工作就是抓取指令與執行指令。 五項基本功能 (1)抓取指令：CPU必須具備到記憶體抓取指令的功能。 (2)解譯指令：CPU必須看得懂指令以便採取動作。 (3)抓取資料：當CPU執行指令時，必須所有的運算元(operands)皆到齊，因此， 它必須有從I/O設備或記憶體抓取資料的功能。 (4)處理資料：當資料齊備後，CPU必須能處理這些資料，可能是算術運算 (加、減、乘、除)，也可能是邏輯運算(AND、OR等)。 (5)回存結果：CPU做完算術或邏輯運算後的結果必要時要回存到記憶體或I/O 裝置。 基本裝置 (1)算術邏輯運算單元(ALU)：主要負責資料的計算或處理。 (2)控制單元(Control unit)：控制資料流向，例如資料或指令進出CPU；並控制ALU的動作。 (3)暫存器(Registers)：負責儲存資料，以利CPU快速地存取。 (4)連結路徑(interconnection path)：負責連接CPU內部的元件，以利資料或控制訊號在不同元件間流傳。 18.3.1 算術邏輯運算單元(ALU) 基本上一個處理機(processor)其指令集(instruction set)所含的指令例如整數的加、減、乘、除，浮點數的加、減、乘、除，邏輯運算如AND、OR、SHIFT等，流程控制運算如BRANCH、JUMP等，以及資料的轉移，如LOAD、STORE等等都和ALU有關係，只是牽涉程度不同