ch04系統元件 - 企業電子化實驗室.ppt

第四章 系統元件 4-1 中央處理器 4-2 機器語言與機器循環週期 4-3 記憶體 4-1 中央處理器 4-1-1 五大單元4-1-2 中央處理器 4-1-3 暫存器 4-1-4 匯流排 4-1-5 類型和相關知識 4-1-1 五大單元 五大單元運作 從資料處理的角度來看，電腦的架構主要分為五大單元(也稱為五大部門)：算術邏輯單元(Arithmetic Logic Unit, ALU)、控制單元(Control Unit，CU)、記憶單元(Memory Unit, MU)、輸入單元(Input Unit)、輸出單元(Output Unit)。其關係如圖4-1。 4-1-1 五大單元 電腦五大單元的運作是由電腦的機器指令(machine instruction)來控制，機器指令可分成資料傳送、算術邏緝、控制與呼叫/返回指令四種類型： 資料傳送類型指令：可以將資料從記憶體複製或搬移至暫存器。 算術邏輯類型指令：除了可以進行加、減、乘、除等算術運算之外，還可以進行AND、OR、Exclusive OR(XOR)、SHIFT(位元移位)、ROTATE(位元旋轉)等邏輯運算。 控制類型指令：指示程式的執行，而非進行運算，例如可以讓程式執行到某個步驟時，有條件或無條件跳躍至其它步驟。 呼叫/返回指令：可呼叫函式/返回函式的呼叫位置。 4-1-1 五大單元 控制單元運作 控制單元主要接受程式軟體(指令)的指揮，可以產生微指令，控制計算機的執行順序及負責協調各單元間的運作與資料的傳送 電腦的所有作業程序與其他單元間的互動協調工作，皆由此單元來控制 以控制從輸入單元將A放入記憶例，其運作圖如圖4-2。 4-1-1 五大單元 控制單元的設計方式一般有下列兩種： 硬體拉線控制(hard-wired control)： 每個指令都有一組對應的邏輯電路，其設計方式是以有限狀態機(finite state machine)來解譯每個指令的動作 優點是執行速度較快 缺點是一旦指令的數量或功能改變時，原先的邏輯電路必須重新設計 程式控制(micro programmed control)： 以微指令(micro code)對應到邏輯電路，且由多個微指令組成微程式(micro program) 由微程式來解譯每個指令的動作 缺點是執行速度較慢 優點是一旦指令的數量或功能改變時，只要修改微程式，而不必調整或重新設計原先的邏輯電路 4-1-1 五大單元 算術邏輯單元運作 由負責算術運算與邏輯運算的邏輯電路所組成 算術運算包括簡單的加、減、乘、除等運算；邏輯運算則包括且(AND)、或(OR)、互斥或(Exclusive OR,XOR)、位元移位(SHIFT)、位元旋轉(ROTATE)等 當資料需要運算時，會由輸入單元送至記憶單元後（由控制單元負責），電腦透過指令的控制將在此單元的資料進行運算，之後再將結果送回記憶單元 例如在記憶位址中11000010分別放了數字1(0000 0001)和2(0000 0010)，現在要將此兩個值加總放回位則其運作方式如圖4-3。 4-1-1 五大單元 算術邏輯單元運作 4-1-1 五大單元 記憶單元 儲存資料與程式 可分為主記憶體(4-2節介紹)和輔助記憶體(第5章介紹) 輸入單元 可接收外界所輸入的命令、資料和訊號，將存放在輸入媒體中的資料或程式 輸入資料時，會先將資料轉為電子訊號，傳入主記憶體中儲存 輸出單元 將資料輸出至輸出設備 4-1-2 中央處理器 主機板 主機板(Main board，MB)是一種印刷電路板，可用於規劃電路設計和安插電子元件 電腦主機板通常要承載中央處理器(CPU)、記憶體(RAM)、晶片組(Chipset)、其他控制元件、介面擴充槽、輸出入連接頭等主要元件，如圖4-4。 4-1-2 中央處理器 中央處理器架構 中央處理器(Central Processing Unit，CPU)對於電腦而言就相當於人類大腦功能的一部分 它由許多積體電路 (Integrated Circuit，lC)所組成 從功能面來看中央處理器主要由控制單元、算術邏輯單元、暫存器(register)和時脈(clock)所組成，其簡單的架構圖如圖4-5。 4-1-2 中央處理器 時間單位 在科學界便設計出10-3秒、10-6秒、10-9秒、10-12秒為單位，分別稱為毫秒(mille second, ms)、微秒(micro second, us)、奈秒(或稱納秒或毫微秒) (macro second, ns)、微微秒(pico second, ps)來作電腦時間的計量單位 所以時間單位的簡單換算方式如下： 1s＝103ms ＝106us＝109ns＝1012p