中央处理单元与记忆体的运作.ppt

計算機結構 1 目錄 l9-1 現代計算機的運作架構 l9-2 中央處理單元與記憶體的運作 l9-3 輸入輸出系統 l9-4 輔助儲存系統 l9-5 強化運算效能的方案 9-1 現代計算機的運作架構 l范紐曼式計算機架構 l輸入設備 lCPU和記憶體 l輸出設備 l輔助儲存設備 l匯流排 范紐曼式計算機架構-1： l第一部一般用途的真空管電腦ENIAC於賓州大學 問世，能用來計算彈道等軍事用途。不過在這部 大象級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。 范紐曼式計算機架構-2： l1945年匈牙利數學家范紐曼（John von Neumann） 接續了ENIAC的成果，發展了新一代可以將指令 儲存在電腦記憶體內的EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），內儲程式 （Stored Program）的觀念正式問世。 范紐曼式計算機架構-3： l范紐曼的構想是將這些指令也儲存在電腦裡，就像 資料一樣，如此就不必拆換硬體線路。而每次在執 行一個新程式時，只需把程式重新輸入就可要求電 腦工作，這就是內儲程式觀念。這樣的概念使得電 腦的實用性大增，同時能以很快的速度發展應用軟 體，讓電腦成為有用的利器。目前為止，主流的電 腦仍是范紐曼式計算機架構。 范紐曼式計算機架構-4： l在此架構下，電腦可以用程式來設計功能，使它成 為能接受資料（輸入），再處理成有用的資訊（輸 出），並將其轉存到其它地方（輔助儲存設備）作 為備分或方便以後使用。 l計算機系統進行資料處理需要四個功能：輸入、運 算處理、輸出和儲存，而支援這四項功能的電腦硬 體分別是輸入設備、處理器和記憶體、輸入設備及 儲存設備。 支援電腦運作功能的電腦硬體-1： l輸入設備（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。 l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 送進來的資料運算處理成想要的結果，中央處理單 元是真正執行電腦指令的部分。記憶體也是電子線 路組成，是和中央處理單元配合，用來儲存資料以 及指令。 支援電腦運作功能的電腦硬體-2： l輸出設備（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。 l儲存設備（Storage）：在此指的是輔助儲存 設備（Secondary Storage），例如磁碟（硬 式磁碟或軟式磁碟），可以將資料和程式儲 存在電腦外部。而提供這些設備資料的是記 憶體（Memory），處理器能將記憶體的內 容搬到輔助儲存設備裡。 電腦的運作架構示意圖： 輸入設備： l輸入，就是餵資料給電腦系統處理，一般較 常用的輸入設備有鍵盤、滑鼠、光筆、掃描 器、搖桿、數位轉換器、觸摸式螢幕、讀卡 機、磁碟機等。 在鍵盤上輸入： l電腦鍵盤和打字機的操作方法幾乎相同，電 腦會反應您敲入了什麼，也就是您可以在電 腦螢幕上看到輸入的字元。 利用滑鼠來點指： n滑鼠是一個可用手操作滑動在平面上的設備 ，滑動時底部的圓球會滾動，同時傳回移動 信號，讓螢幕上的指標也跟著移動，位置座 標的關係則是相對的，而按下滑鼠上的按鈕 可讓您執行指令。 CPU和記憶體-1： lCPU是真正將資料轉換成有用資訊的設備。資料是 一些未經電腦處理的數據，例如消費的金額、上班 的打卡時間、貨品的價格、車子的行走距離等，而 資料在經過處理後，就會轉換成有意義的資訊，因 為在轉換的過程中，資料將被組織化，帶有意義而 且有用。 l舉例來說，學校中的老師可以輸入不同學生的成績 （這個是資料），而這些資料可以被處理，然後算 出期末成績或全班總平均（這就是資訊）。 CPU和記憶體-2： l資料本身可能不代表太多意義，可是當它轉換成資 訊時，將變得有用。 l例如銷售分析的電腦系統可以將每個人在商場的消 費項目、金額、時間以及個人資訊綜合整理起來， 經過計算分析後，就可以了解大眾的消費習慣，進 一步反應在供貨項目與寄發相關傳單給特定的族群 。 CPU和記憶體-3： l電腦記憶體，又名主記憶體（Primary Storage）， 它和CPU的關係密切，卻又不是CPU的一部分，記 憶體裡儲存著已經由輸入設備輸入但尚未被處理的 資料，當然，它也儲存已經被CPU處理但尚未送至 輸出設備的資訊。而且，記憶體也存放CPU所需要 的程式（電腦指令）。 l一般而言在持續通電的情況下，記憶體可以短暫地 儲存資料，但若電流受到干擾，資料就會遺失了。 輸出設備-1： l這裡指的是輸出CPU處理資料轉換成為有意義的資 訊結果，當然，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、數字、圖表，甚至是 聲音，都是輸出最常見的格式。 l舉例來說，文字輸出可能是辦公室的人們利用文書 處理軟體所準備的信件和備忘錄，而有些人可能會 對公式、行程和預算等數字較有興趣。一般來說， 將數字以圖表方式表示，較容易被理解。 輸出設備-2： l最常見的輸出設備是電腦螢幕和印表機。顯示器上 的螢幕能有許多不同呈現方式，諸如文字、數字、 符號、插圖、相片甚至影片等。印表機則是聽從電 腦程式的命令列印出各種形式的資訊。 輔助儲存設備-1： l輔助儲存設備提供了和電腦記憶體不同的資料儲存 方式，因為記憶體只能暫時地保存資料和程式，相 對地顯現了輔助儲存設備的必要性。 l常見的兩個輔助儲存設備是磁碟（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存空 間，而且存取資料的速度也快上許多。 輔助儲存設備-2： l在大型電腦系統中，硬式磁碟通常是一整組的設備 ，包含了磁片與磁碟機，磁片是可以抽換的；而小 型電腦系統所使用的硬式磁碟，磁碟機和磁片是包 裝在一起的，無法獨立抽換磁片（溫徹斯特式）。 l磁碟的另一種進化型式是光碟，光碟有唯讀與可寫 入兩種，它是使用光學原理在塑膠片上儲存大量資 料，儲存成本相當便宜，不過速度還是比硬式磁碟 慢些。 輔助儲存設備-3： l磁帶是以連續的磁性塑膠帶子來儲存資料， 通常是放在卡匣裡，就像錄音機播放的錄音 帶一樣，當電腦系統要讀取或更新磁帶中的 資料時，則必須利用磁帶機來讀取，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： l匯流排（BUS）是在電腦機板上的一部分，在英文 原文中之所以用巴士這個稱呼，係取自於意義運 輸工具。 l匯流排是一組平行的電路，負責將資料從一個地方 傳到另一個地方，能將處理器、記憶體、輸出入介 面通通連起來。 l匯流排的寬度是指其一次所能傳輸的最大資料量， 例如16位元則代表有16條平行電路為一組的匯流排 。 匯流排-2： l匯流排的寬度和CPU有關，若CPU對外的資料線只 有8條，那就只有8位元的匯流排可用。所以理論上 來說，能一次同時處理64位元資料的CPU，應能配 有64位元的資料匯流排。 l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 存的資料。 9-2 中央處理單元與記憶體的運作 l算術邏輯單元ALU l控制單元Control Unit l暫存器Rigister l記憶體Memory l記憶體定址方式 l時脈與指令的執行週期 l快取記憶體Cache 中央處理單元（CPU）： lCPU包含了兩個重要部分：控制單元和算 術邏輯單元，各有各的特定功能組合。 算術邏輯單元ALU-1： l算術邏輯單元（Arithmetic/Logic Unit，ALU）主 要負責電腦內部資料的算術運算與邏輯判斷。 ALU可以執行算術指令或數學運算。例加法、減 法、乘法和除法，還有位元資料處理如布林運算： AND、OR、NOT或位移，而且也可以執行邏輯指 令。 算術邏輯單元ALU-2： l邏輯指令通常以比較指令為主，可以比較數字、字 母或特別字元，而電腦可以根據比較的結果處理指 令。這是一個相當重要的功能，因為電腦可以藉著 這項功能，來辨別滑鼠是否移動、銀行還有沒有存 款，溫度是否高到要開啟冷氣壓縮機，電子郵件帳 號密碼是否正確等。 邏輯運算可以測試三個條件： l等於條件：本條件在測試兩個數字是否相等 。 l小於條件：本條件在測試一個數字是否小於 另一個。 l大於條件：本條件在測試一個數字是否大於 另一個。 算術邏輯單元ALU-3： l電腦可以同時測試多個條件，算術邏輯單元可以接 受6種邏輯關係：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。 l用來表示比較類型的這種符號稱為關係運算元。最 常見的運算元有等於符號（=），小於符號（）。別小看這些基本的東西，這 些再組合布林運算就可以做出非常複雜的判斷，即 使是具有人工智慧的程式，也是由這些邏輯運算來 組成。 控制單元Control Unit： l控制單元（Control Unit）是整個電腦的運作指揮 中樞，負責監督或協調主記憶體、算術邏輯、輸入 與輸出各單元之間的動作以及資料的傳輸。 l當程式執行時，控制單元將所要執行的指令載入並 加以解析（Decoding），決定要執行何種工作，再 根據解析的結果發出信號，控制各單元配合執行該 指令所要做的工作。 暫存器Register： l暫存器（Register）是可以暫時存放指令或資料的 地方。他們並不算是記憶體的一部分，而是在CPU 內的額外小型儲存區，控制與邏輯運算單元存取暫 存器時並不需要經過匯流排，所以能夠快速存取資 料。 l暫存器是由控制單元直接指揮，用來接受、保留或 轉換指令與資料，及快速地完成運算或邏輯的比較 。 CPU的暫存器各種特殊用途： l累加暫存器（Accumulater）：可以儲存計算後的 結果。 l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。記憶體中的每一個儲 存位置都會有一個位址，就像飯店的房間號碼一樣 。 l資料暫存器（Data Register）：可以暫時保留想送 到記憶體或從記憶體抓取過來的資料。 l通用暫存器（General Register）：可以用在幾個用 途，如算術指令等。 暫存器的標準大小： l暫存器的標準大小，一般等同於CPU的位元 處理能力大小。 l例如64位元的CPU，就會配有幾個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 設計處理資料的方法。 以下是暫存器和其它儲存設備的不同處： l暫存器可立即儲存與執行和作業有關的資料 ，記憶體則儲存最近要使用的資料，用到時 必須移進或移出暫存器，而輔助儲存設備則 可以將執行程式所需用的資料儲存起來，不 管多久後才要使用都沒有關係。 以下就是貨品結算程式運用不同儲存 設備的示範： l貨品的單價與數量以及現在的加總放於暫存器中待 用，而其它資料例如該項貨品的名稱、供貨點、庫 存則存於記憶體中待用，其餘貨品的資料則在輔助 儲存設備中。 l當電腦完成一項貨品的計算後，將加總放回記憶體 ，然後從輔助儲存設備中抓取下一項貨品的資料放 入記憶體，再移動必要資料到暫存器繼續運算。 示意圖： 記憶體Memory-1： l記憶體（Memroy）也稱為Primary Storage、 Primary Memory、main storage、內部儲存單元及 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）這個名稱， 代表隨機存取記憶體的意思。 l隨機的意思就是CPU可以隨時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， 時間都幾乎一樣。 記憶體Memory-2： l記憶體主要負責儲存等待執行的程式與資料 ，也就是說可以記憶或儲存由輸入單元所傳 入的任何資料，再等待電腦做更進一步的處 理。 l雖然記憶體和CPU的關係密切，但它並不是 CPU的一部分，只存放程式執行中需要用到 的指令或資料。基於某些理由，只有當程式 執行時，才需要將相關的資料存放在記憶體 中。 以下就是CPU處理資料的方式： lCPU無法直接在輸入設備或磁碟上處理資料，必須 先將資料載入存放在記憶體內。 l資料和指令由控制單元透過匯流排負責傳送到記憶 體。 l控制單元會在適當的時間將記憶體中的資料送進 ALU中進行邏輯或算術運算，等到ALU處理完畢 ，再將資訊送回記憶體中，這些資訊會被保留直到 準備傳送到輸出或儲存設備為止。 記憶體晶片： l是構成記憶體的實質元件。 l現代電腦大部分都使用半導體記憶體，主要由矽來 構成，它有幾項優點：可靠度高、體積小、低價位 以及低功率。 l半導體記憶體可以大量製造，所以記憶體的價位也 大幅降低。而晶片的價錢雖會因經濟和政治的因素 不斷的起起伏伏，可是仍然蠻廉價的。 l半導體記憶體屬非長存型，也就是說，半導體儲存 元件需要連續不斷的電流才能保留資料，當電源關 掉後，資料也就跟著消失。 奈米： l進入了奈米（10的-9次方公尺）時代，可能會改變 記憶體與輔助儲存設備的分野。 l奈米碳管CNT（Carbon Nano Tube）技術，同時能 具有RAM的通電可存取性質，又能在不通電時， 還保留原本的資料，而且速度遠比矽晶片快。 記憶體定址方式-1： l記憶體中的每條指令以及資料所存放的位置 都會被標示一個位址（Address）。也就是 說，每一個存放位置都有一個位址號碼，就 像飯店每個房間都有號碼一樣。 記憶體定址方式-2： l這些位置的位址號碼不會改變，但位置內的 內容（指令和資料）卻可以一直變動。因此 ，當舊的資料已不再需要被儲存時，它在記 憶體中的位置就會用來儲存新的指令或資料 。它與房間的不同之處在於每一個記憶體位 置只能放固定數量的資料，不能高興就多塞 一點，通常每一個位址只能存放一個位元組 。 時脈與指令的執行週期： l時脈（Clock）是讓電腦裡的處理單元、記憶體、 輸出入系統同步的一種信號。就像是音樂的節奏， 不整齊劃一，就沒辦法協調演出。 l電腦系統的時脈是由一個定時震盪器所產生，通常 是石英做的，別懷疑，您的手錶裡也有。通常時脈 很快，每秒中約可震盪達數百Mega（百萬）次， 單位為Hz。時脈會連接到電腦主機板上的各種運 作單元，做為運作的基準。 l一般而言，CPU一個時脈最快能執行完一條指令， 所以時脈越快，電腦的運算效能就越高。 以下就是CPU結合記憶體以執行一個 電腦程式的方式-1： l在指令執行之前，程式指令和資料必須先從輸入設 備或輔助儲存設備放進記憶體中。當所需要的資料 和指令已經在記憶體中時，CPU就會為每一條指令 完成下面四項步驟： l抓取（Fetching）：控制單元從記憶體中抓取指令。 l解碼（Decoding）：控制單元將指令解碼（辨識此指令 的功能），然後將所需要的資料從記憶體移至ALU。 l執行（Executing）：執行解碼後動作（算術指令或邏輯 指令），由ALU控制並對資料執行實際的指令。 l儲存（Storing）：ALU將指令執行的結果存放在記憶體 或暫存器中。 以下就是CPU結合記憶體以執行一個 電腦程式的方式-2： l步驟1和2合稱為指令時間（I-time），步驟3 和4合稱為執行時間（E-time）。 l控制單元最後會將記憶體中的結果送進輸出 設備或輔助儲存設備中。 lI-time和E-time加起來稱為機器循環週期（ Machine Cycle）。 示意圖： 補充說明： l每一個機器循環指令可能是由一連串小指令 （稱為微指令）組成，而每一個微指令至少 需要一個時脈的循環時間。 l每一個CPU被設計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： l快取記憶體（Cache）是一小塊反應相當快 的記憶體，它是為了加速內部資料和軟體指 令傳輸等特殊目的而設計的。您可以把快取 記憶體想像成是秘書型記憶體，因為存放在 快取記憶體中的資料和指令是最近或經常被 使用到的。 快取記憶體的功能： l當CPU在Fetching階段第一次必須到主記憶體中抓 取資料或指令時，由於一般的動態存取記憶體的工 作頻率與反應速度和CPU比起來要慢上許多，導致 CPU浪費時間在等待記憶體回應。 l解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，控制單元會對 應好原本的記憶體位址資料。等到下次用到時，就 直接從快取中拿，而不必再跑到記憶體去要。 示意圖： 快取記憶體的運用： l快取記憶體的運用已經成為一項重要的技術，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，稱為內部快取。內部快 取也是最昂貴的記憶體，它佔用了CPU晶片寶貴的 方寸大小，也因此不能過大。另一個方法是再設計 另一種快取，但不放在CPU晶片中，這時速度就會 稍慢，但很明顯的容量大小就可以增加許多，一般 稱為L2 Cache。 9-3 輸入輸出系統 l埠與插斷 l直接記憶體存取DMA lI/O處理晶片 埠與插斷-1： l完整CPU的晶片本身就包含了輸入與輸出用的接腳 ，對CPU來說，除了存取記憶體資料是透過資料匯 流排外，對外輸入輸出設備的進出控制就是靠這些 接腳。 l這些接腳通常分別被組合定義成許多的埠（Port） ，埠是CPU對外的吞吐口。通常所有要輸入、輸出 的資料都要經過這些埠，而且埠不會只有一個，每 一個埠可以代表不同的設備進出口，例如序列通訊 埠、平行通訊埠、鍵盤控制埠等。 埠與插斷-2： lCPU要如何知道有資料要進來呢？CPU是利用插斷 （Interrupt）的技術來達成。 l當輸入設備的輸入資料到埠後，會先向CPU發出插 斷，在一般的情況下，CPU會停下目前手上的工作 ，看看是哪個埠發出插斷，緊接著就去接收那個埠 的資料，完成後才會繼續原來的工作。 l當然，如果資料量大，一直在插斷CPU，是很消耗 CPU的運算時間的，另一個解決方法就是配合直接 記憶體存取技術。 示意圖： 直接記憶體存取DMA-1： l直接記憶體存取（Direct Memory Access， DMA），是一種可以減輕CPU負擔的存取 技術。通常當讀取某設備裡的資料時，CPU 必須先將資料從設備讀出，然後再由CPU寫 到記憶體中，以上這些動作全部由CPU控制 ，非常不符效率。 直接記憶體存取DMA-2： lDMA的方式是將記憶體位址指派好後，直 接讓設備的資料被存放到某塊記憶體或將某 塊記憶體直接往設備傳送，而不經過CPU， 如此一來，CPU的工作負擔將減輕不少，相 對地資料的傳輸將更快速，例如輔助儲存設 備一般即是透過DMA來傳輸資料。 DMA運作示意圖： I/O處理晶片： l隨著I/O設備的多樣與複雜以及對於處理速 度的要求，插斷和DMA已不足以完全應付 ，於是就產生了專門用來處理I/O的I/O處理 晶片，例如繪圖晶片、音效晶片、網路晶片 等。 以下就是I/O處理晶片的用途-1： l和CPU及記憶體溝通：由於輸出/輸入設備（I/O Device） 種類繁多，它們的資料儲存的格式並不 相同，傳輸的速度也比CPU及主記憶體慢，如果都 將輸出/輸入設備直接連到匯流排，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 及格式轉換可能會造成拖慢系統運作效能的困擾， 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： l和周邊設備做溝通：如果有資料要從電腦內 部輸出時，I/O晶片會自動將電腦內部的資 料表示法，轉換成周邊設備看得懂的表示法 後再輸出，讓電腦內部與周邊設備可以溝通 ，達到通訊的目的。 以下就是I/O處理晶片的用途-3： n當作資料緩衝區：做為輸出或輸入的緩衝區 ，化解周邊設備與電腦內部的速度差異，這 樣可以防止資料流失的問題。 I/O處理晶片運作示意圖： 9-4 輔助儲存系統 l基本磁碟系統 l虛擬記憶體 l資料壓縮 l光碟儲存系統 基本磁碟系統-1： l磁碟機是電腦將資料儲存到輔助記憶體的重 要媒介，通常可分為下列三種：軟式磁碟機 （Floppy Disk Driver）、硬式磁碟機（Hard Disk Driver）及光碟機（Compact Disk，CD ） 。 基本磁碟系統-2： l軟碟和硬碟都是以磁性構成的媒體，它們以磁碟上 的磁化小點來表示資料，一個磁化小點表示位元1 ，另一個狀態的磁化則表示位元0。 l從磁碟上讀資料是指把磁碟上的資料轉換成能傳送 到處理器的電子訊號；寫資料到磁碟上的動作則剛 好相反，是從處理器送出電子訊號，轉換成磁碟上 的磁化小點。磁碟通常是圓的，中心可由馬達帶動 旋轉。 軟式磁碟： l軟式磁碟系統由IBM發展出來，一開始是直 徑8吋大，後來普及化為51/4吋，這些都已經 被淘汰。目前一般個人電腦使用的磁片是 31/2吋大小。 軟式磁碟的特色： l軟式磁碟片是軟的，事實上是一個佈滿磁粉的塑膠 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 環境中，並不用置放在特別的無塵室裡。新型的軟 碟系統例如I/O Mega的Zip disk，可以用非常快的 速度運轉，而且容量也相當大，約為同等大小軟碟 的70倍。 硬式磁碟： l硬式磁碟簡稱硬碟，以材料堅硬得名，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 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-1： l硬式磁碟機是一個與電腦相連的周邊設備， 磁碟組會被掛到磁碟機上，大型的電腦配有 數十個甚至上百個磁碟機。在磁碟組上即使 一次只有一個磁碟被讀取或被寫入，磁碟組 的其它磁碟也會同時跟著轉動。 硬式磁碟機-2： l在磁碟上讀取資料的零件是存取臂（Access Arm） ，它會移動讀寫磁頭到某個磁軌上的某一個位置， 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 的資料將會被破壞；如果磁頭碰到磁碟表面上一些 外來小物質也會導致資料毀壞。 硬式磁碟機-3： l磁碟組上會有一組存取臂在每個磁碟之間移 動，每一個存取臂上都有讀寫磁頭，一個會 在表面的上方，另一個會在表面的下方。然 而，一次只有一個讀寫磁頭可以做存取動作 。 示意圖： 硬碟的容量： l個人電腦所使用的硬碟大都是31/2吋大小的 密封磁碟，硬碟的容量在數百個百萬位元組 的容量是很常見的，數千個百萬位元組的容 量也不是很稀奇。 l目前在硬碟上存取資料已經非常快速，而且 比存取軟碟資料方便。 磁碟儲存系統的存取特性： l磁碟儲存系統的資料存取特性在於隨機存取 ，這和主記憶體很類似，也因此在電腦系統 中的地位歷久不衰。 l隨機存取是指在一定時間內可以存取任何指 定地點的資料，例如一般電腦系統將磁碟規 劃成許多同心的磁軌，每個磁軌再等分成許 多磁區。 示意圖： RAID冗餘磁碟陣列-1： l通常電腦系統的硬碟肩負著重要任務，只要 一損毀，整個系統就得停頓下來等候修復。 而基於安全性上的考量，冗餘磁碟陣列（ Redundant Array of Inexpensive Disks，RAID ）被發展出來。 RAID冗餘磁碟陣列-2： lRAID系統的原理很簡單，是將幾個獨立的相同容 量小硬碟機結合在一起，然後採取映射（Mirroring ）或等量分配（Data Striping）的方式來存放資料 ，當任一台硬碟損毀時，都不會受到立即的影響， 這時只要利用熱抽換技術（Hot Swap），在不關閉 電腦的情況下，直接抽掉損毀的硬碟，換上一個相 同規格的新硬碟就可以了。 映射： l映射是最簡單的RAID方案。 l道理很簡單，就是用兩台一樣的硬碟來同時 存取資料，當電腦要儲存資料時，就一次存 兩台，所以兩台的內容將完全相同。就好像 DNA複製一樣，互為分身的情況下，壞了哪 一台都沒有關係。 等量分配： l等量分配就比較複雜了，通常用上好幾台硬 碟，電腦在將資料寫入硬碟時會被自動拆成 許多部分，每個硬碟只儲存一小部分，其中 有一台硬碟儲存著可供恢復的檢查資訊，只 要任一台損壞，都可以恢復過來。 l等量分配的好處是速度比起映射技術要快得 多。 虛擬記憶體： l電腦作業系統所稱的記憶體，包括實體記憶體與虛 擬記憶體。 l實體記憶體是插在主機板上的RAM，而虛擬記憶 體指的是作業系統利用硬碟空間來模擬出一大塊記 憶體，當主記憶體的可用空間低於某個設定值，就 會將主記憶體中使用等級比較低的記憶區塊轉移到 硬碟來，等需要時再放回去。 l在主記憶體與硬碟之間移轉資料的動作稱為置換（ Swap）。 示意圖： 以Windows系統舉例說明-1： l處理資訊時，若Windows回應一個“記憶體不足”的 訊息，這很有可能是因為硬碟空間不足，導致 Windows的虛擬記憶體也會相對地減少，這時即使 加裝記憶體，還是很容易出現憶體不足訊息。 l相對地，如果是主記憶體不太夠，但硬碟空間很多 ，那麼不太會出現記憶體不足的訊息。這是因為主 記憶體不足時，Windows會利用硬碟空間來做出一 大塊虛擬記憶體，不過由於置換的機率很高，會導 致Windows速度變很慢。 以Windows系統舉例說明-2： l如果是主記憶體不太夠，但硬碟空間很多， 那麼不太會出現記憶體不足的訊息。這是因 為主記憶體不足時，Windows會利用硬碟空 間來做出一大塊虛擬記憶體，不過由於置換 的機率很高，會導致Windows速度變很慢。 資料壓縮： l資料壓縮（Data Compression）是指透過編 碼的技術，來降低資料儲存時所需的空間， 等到需要使用時，再做解壓縮的動作即可。 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，經過解壓縮後，資料再呈現 時的完整程度也會相對地降低。 壓縮的種類： l壓縮可以分成兩種：一種是經過解壓縮後所 產生的資料與原始資料間會產生誤差的壓縮 法，稱為破壞性壓縮；另一種是經過解壓縮 後所產生的資料與原始資料間不允許任何誤 差的壓縮法，稱為非破壞性壓縮。 破壞性壓縮： l一般來說，經過壓縮與解壓縮後的資料通常比未經 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。因為影像 的相似性太多，如對比、色差等，使用者通常不太 會去注意這些微細的變化，刪除比較不重要的部分 ，對視覺的感官來說是不會有太多的差異，但是在 儲存的資料量方面卻會產生10到30倍的差距。 非破壞性壓縮： l通常運用在文字檔、程式檔與重要的資料， 因為這類的資料是經不起任何的差異產生。 光碟儲存系統： l光碟所使用的技術是把雷射打到佈滿金屬表 層的光碟上。寫入資料時，雷射所產生的熱 會在光碟表面上產生小點。讀取資料時，使 用雷射掃描光碟，透鏡會接受從不同點所產 生不同的反射。 讀取是主要用途： l光學儲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。 l只能寫一次，可讀多次的媒體稱為WORM（Write Once Read Many）。當寫入資料後，WORM就變 成為唯讀的媒體，WORM光碟上的資料是不能消 除的，對一些要求保護原來版本的資料或文件的應 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： lCD-ROM（Compact Disk Read-Only Memory）是 一種光學科技。CD-ROM有一個比其它光碟設計突 出的的優點，就是這種光碟的格式跟儲存聲音的唱 片光碟相同，而且CD-ROM的儲存量非常驚人，每 片最多可達660MB，相當於四百多片標準31/2吋軟 碟的容量，或一萬張紙可列印出的內容。 DVD-ROM唯讀影音光碟-1： lDVD-ROM是最新型的影音數位光碟，主要用來存 放高品質影片。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 。 l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光碟機也能讀取CD-ROM上的資料。 DVD-ROM唯讀影音光碟-2： lDVD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，但 是DVD使用較短的雷射波長，可以使它能更 密集地讀取資料點，因此增加了碟片的容量 。 磁光學媒體： l磁光學媒體（MO）是結合了磁碟和光碟特性所產 生的儲存設備。 (MO=Magnet-Optical) l磁光學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 填入有磁感應的金屬晶體，寫入資料時，雷射光束 在塑膠表面上融化一個小點，並在這個小點冷卻前 利用磁力將晶體排列，因為晶體經過排列，所以有 些晶體會反射，有些不會反射，這樣就能使用雷射 光束來讀資料。 9-5 強化運算效能的方案 l速度和功率 lRISC l平行處理 速度和功率： l一般來說，CPU的運算速度都很快，但是不同CPU 在速度上還是有很大的差別。 l在一部非常慢的CPU上執行指令的速度可能是以千 分之一秒為單位，而大部分CPU執行指令的速度是 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。 計算電腦速度的方法-1： l個人電腦的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 個時脈。 l例如早期蘋果二號電腦的6502 CPU是採用 1MHz的時脈。現在的CPU時脈動輒上GHz （1000MHz），其實並不太準確，因為這指 的是CPU內部時脈，外部的時脈事實上僅有 數百MHz。 計算電腦速度的方法-2： l第二種計算電腦速度的方法是MIPS（Million Instructions per Second），它的意義是每秒一百萬 個基本指令。 l例如，有著0.5MIPS速度的個人電腦能在一秒中執 行500,000個指令，高速個人電腦則可以達到 100MIPS，甚至更高的速度。MIPS通常要比時脈 速度準確，因為有些CPU能比其它CPU更有效率地 使用時脈中的每一個循環週期。 計算電腦速度的方法-3： l第三種計算速度的方法是百萬個浮點運算（ megaflop），也就是每秒一百萬個浮點運算 ，這能表示電腦處理複雜數學計算的能力。 尤其是處理三度空間電腦動畫的電腦，需要 這種速度指標。 RISC-1： lRISC（Reduced Instruction Set Computers，精簡指 令集運算）的意思是把CPU指令集簡化，減少不必 要的指令，只保留一些最基礎的指令，也就是因為 CPU只有少數指令，而且每個指令的執行時間相當 短，因此CPU可以用相當高的時脈來運算，對於少 數專業的應用能發揮很大的功能。 RISC-2： lRISC違反了電腦發展的常規，反而不求更多的變 化、更強的功能，它將複雜運算的責任交給了軟體 程式自己來做，而專注在將最常用的指令的效能做 到最好。 l事實上，這是十分合理的，因為現在的程式語言大 都是高階語言，很少利用機器語言來撰寫複雜的程 式，而高階語言只要發展出RISC專用編譯器，其 他的工作就都一樣了，並不會對軟體程式的開發造 成任何困擾。 CISC： l相對於RISC精簡指令運算，CISC（Complex Instruction Set Computers