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第3章 系統單元 章節大綱 3-1 系統單元 3-2 中央處理器 (CPU) 3-3 CPU的設計架構與技術 3-4 記憶體 3-5 電腦與週邊通訊 3-6 輸入/輸出的定址方式 3-7 輸入/輸出介面 3-1 系統單元 電腦的系統單元 (system unit) 包含中央處理器 (CPU) 與主記憶體兩個部分。 3-1 系統單元 不同形式的系統單元。 3-1 系統單元 機殼內的元件： 主機板 (motherboard) 電源供應器 (power supply) 散熱風扇 (cooling fan) 固定架 (drive bay) 連接埠 (ports) 3-2 中央處理器 (CPU) CPU 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)。 CPU是由控制單元、算術邏輯單元及部分的記憶體單元 (暫存器) 所組成。 3-2-1 控制單元(CU) 控制單元 (control unit) 是負責控制資料流向與指令流向的電路。 控制單元的製作方式有下列兩種： 硬體電路控制 (hardwired control) 微程式控制 (microprogrammed control) 3-2-1 控制單元(CU) 硬體電路控制 V.S. 微程式控制 3-2-2 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。 電腦的機器指令有下列三種類型： 資料傳送類型 : Load, Store 算術邏輯類型: AND, OR, XOR, SHIFT, ROTATE 控制類型: JUMP, BRANCH 3-2-3 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。 暫存器通常分成兩大類，其一是程式設計人員能夠存取的可見暫存器，其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態暫存器。 3-2-4 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) 是在固定時間內所完成的工作。 CPU時間 (CPU time) 是CPU執行一個程式所花費的時間，不包括等待輸入/輸出或執行其它程式時間。 CPU時脈週期 (CPU clock cycle) 是CPU執行一個程式所花費的時脈週期。 CPU時間 = CPU時脈週期 * 時脈週期時間 3-2-4 電腦的效能 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)，電腦就可以完成少量工作。 時脈速度 (clock rate) 指時脈計數的速度，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)(表3.3時間單位)。 電腦的效能取決於時脈速度、CPI (clock cycle per instruction)和指令數目等因素。 除了MHz、GHz之外，電腦的速度也可以使用MIPS、MFLOPS、TPS來描述。 3-2-4 電腦的效能 3-2-5 CPU相關規格 外頻 CPU外部工作頻率，CPU存取主記憶體的速度，單位為MHz。 倍頻 CPU核心所採用的頻率是外頻的倍數，倍頻。 內頻 CPU工作時所採用的頻率，倍頻乘上外頻。 3-2-5 CPU相關規格 封裝：CPU其實是一個晶片 (chip)，需要將它包裝起來以玆保護，並提供腳座與外界溝通，這個包裝的過程就叫做封裝。 封裝方式l: DIP: 雙軸電晶組 PGA: 點針矩陣 FC-PGA: 反面點針矩陣 SECC: 單緣接觸卡匣 LGA: 平針矩陣 3-2-5 CPU相關規格 插槽腳位：插槽腳位決定了CPU如何安插在主機板CPU插槽，不同腳位有不同的插槽，針腳數目各異。 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，又分為二至三種層次，稱為L1快取、L2快取、L3快取。 3-2-5 CPU相關規格 系統匯流排: 傳送CPU與主記憶體之間的資料。 擴充匯流排: 傳送CPU與週邊設備之間的資料。 匯流排寬度 匯流排 (bus) 是主機板上面的鍍銅電路。 匯流排決定了電腦一次可以同時傳送多少位元，電路愈多，匯流排寬度 (bus width) 愈大，傳送速度愈快。 常用規格: 16, 32, 64位元 3-2-5 CPU相關規格 字組大小：字組大小 (word size