电脑内部是怎麽运作的

1、國立清華大學資訊工程學系資訊工程系 .tw/2009/09/29P-1電腦內部是怎麼運作的國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-2學習目的學習目的講解中央處理器的各個組成元件，說明他們彼此間如何運作以及與記憶體的溝通描述電腦如何執行程式指令解釋電腦如何表示資料描述電腦如何找到指令和資料講解微電腦系統單元上的主機板的各個元件明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法 國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-3電腦的五大單元輸入單元 (Input unit)控制單元 (CU unit)算術與邏輯單元 (ALU unit)記憶單元 (Me

2、mory)輸出單元 (Output Unit)國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-4ALU unitCU unit MemoryInput unitOutput unit電腦的五大單元國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-5CPUCentral Processing Unit主要功能:抓取指令和執行指令執行儲存在記憶體(RAM)中的程式指令分成兩個主要部分控制單元 (CU)算術邏輯單元 (ALU)國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-6控制單元控制單元 CU (Control Unit)硬體的一部分，負責控制控制資料流向,例如資料或指令進出CPU控制ALU的動作

3、指示電腦系統執行程式指令負責CPU與硬體其它部分的溝通國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-7算術邏輯單元算術邏輯單元ALU (Arithmetic / Logic Unit)負責執行算術運算動作負責執行邏輯運算動作國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-8算術運算算術運算加法 (ADD)減法 (SUB)乘法 (MUL)除法 (DIV)國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-9算術運算的例子算術運算算術運算(cont.)A(0100)B(0010)ALU(+)Y(0110)兩個運算子(0100和0010)分別放在暫存器(register)A和B中,而結果(0110)就

4、放在暫存器Y中例如:4+2=6國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-10邏輯運算邏輯運算評估條件值進行比較可以比較數字字母特別字元國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-11邏輯運算邏輯運算 (cont.)邏輯運算例子 A(0100)B(0010)ALU()Y(0000)兩個運算子(0100和0010)分別放在暫存器(register)A和B中,而結果(0000)就放在暫存器Y中例如:If A B then Y=0例如:If A != B then Y=0國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-12真值表真值表 Truth tableABA and BNot AA o

5、r BTTTFTFTFTTTFFFTFFFTF國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-13暫存器各有特殊的用途速度快是個暫時存放的地方 位於 CPU 中指令暫存器儲存目前正在執行的指令資料暫存器儲存正等著被處理的資料儲存處理過後的結果國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-14Instruction Cycle 一個指令通常分成四步驟來執行一個指令通常分成四步驟來執行1.擷取擷取2.解碼解碼3.執行執行4.儲存結果儲存結果(1)(2)稱為稱為I-time cycle(3)(4) 稱為稱為E-time cycle國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-15執行指令流程執行

6、指令流程CU 從記憶體擷取指令放進CPU中CU 將此指令解碼 CU 通知硬體相關部分準備採取行動執行工作將計算結果寫回記憶體國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-16I-timeCU 從記憶體中擷取 (fetch)指令，然後放進暫存器中CU 將此指令解碼 (decode)，並決定所需要的資料在記憶體中的位置機器循環週期機器循環週期國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-17E-time執行CU 將資料從記憶體搬移到 ALU 內的暫存器中由 ALU 負責控制與執行指令控制權回到 CUCU 將運算後的結果存放在記憶體或暫存器中機器循環週期機器循環週期國立清華大學資訊工程學系200

7、9/09/29P-18電腦系統5 大部分ALU unitCU unitMemory 介紹Input unitOutput unit國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-19儲存體容量的測量單位KB kilobyte1024 (210)個位元組有些磁片快取記憶體MB megabyte約百萬(220)個位元組RAMGB gigabyte約十億(230)個位元組硬碟CD 和 DVDTB terabytes約一兆(240)個位元組大型硬碟Q:1 G bytes= ? M bytes 國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-20例如512M RAM 表示 此RAM 可儲存512*220

8、 bytes 大小資料250G 硬碟 表此硬碟 可存放 250* 230 bytes 資料儲存體容量的測量單位Remark: 0/1:1 bit 00110011:8 bits=1 byte國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-21在記憶體中尋找資料記憶體中的每個位置都會被標示一個獨一無二的位址 (address)位址不會改變內容可能會改變每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-22記憶體(memory)介紹階層式記憶體由不同的記憶裝置所組成的,非由單一記憶裝置所構成的CPUCacheMain memorySecondary memor

9、y目前電腦系統至少有這三層:cache,main memory,secondary memory速度: Cache main memorysecondary memory容量大小: Cache main memorysecondary memory國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-23階層式記憶體輔助儲存體(secondary memory)儲存以後要用到的資料長期儲存例如硬碟,光碟片記憶體(main memory)儲存最近要使用的資料暫時儲存存取速度比輔助儲存體快例如 RAM/ROMCache memory它是一塊小但非常快速的記憶體存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令存取

10、速度記憶體快CPUCacheMain memorySecondary memory國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-24快取 (Cache memory)第第 1 步步處理器要求擷取資料或指令第第 2 步步到主記憶體中的該位址去讀取第第 3 步步傳送到 CPU 和快取中下一次微處理器需要資料或指令時 先到記憶體快取中尋找 找不到再到記憶體中尋找 處處理理器器RAM快取快取國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-25CPUCacheMain memorySecondary memoryregisterCacheMain memorySecondary memoryCPURe

11、gister)國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-26暫存器(register)各有特殊的用途速度快是個暫時存放的地方 位於 CPU 中指令暫存器儲存目前正在執行的指令資料暫存器儲存正等著被處理的資料儲存處理過後的結果國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-27隨機存取記憶體(RAM) (Random Access Memory)唯讀記憶體(ROM) (Read Only Memory)Main Memery的主要類型CPUCacheMain memorySecondary memoryReview:階層式記憶體國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-28 Main

12、 memory分類國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-29有 DRAM 和SRAM 種類需要電流才能保持資料揮發性 (Volatile)可以讀取及修改裡面的指令和資料使用者通常是指這種記憶體有 DRAM 和SRAMRAM國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-30RAM 的種類SRAM只要有電力，儲存內容就會依舊存在速度比 DRAM 快用在 Cache memory國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-31DRAM必須持續充電因為它的體積與價格的優勢，大多數的 PC 記憶體都使用它SDRAM 比較快的一種 DRAMRambus DRAM速度比 SDRAM 快價格較

13、貴DDR, DDR IIRAM 的種類的種類國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-32RAM 裡有什麼?作業系統目前正在執行中的程式上述程式需要的資料等著要輸出的中間結果國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-33ROMRead Only Memory非揮發性 (Non-volatile)負責開機的指令裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改這些指令通常是在工廠裡燒錄進去的又有 EPROM 和EEPROM.種類國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-34EPROM /EEPROM EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

14、 利用高壓將資料寫入抹除時將線路曝光於抹除時將線路曝光於紫外線紫外線下下 EEPROM( Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ) 利用高壓將資料寫入 不需要用紫外線照射 用特定的電壓來擦拭晶片上的資訊, 以便寫入新的資料國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-35Flash memory快閃記憶體快閃記憶體(Flash memory)由 EEPROM進化來例如 MS,SD,大拇哥隨身碟使用在行動電話數位相機(SONY採用MS,其它大都採用SD)數位錄音器PDA國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-36Basi

15、c Input/Output System 功能功能載入作業系統：從儲存裝置中載入作業系統載入作業系統：從儲存裝置中載入作業系統到隨機存取記憶體。到隨機存取記憶體。初始化動作：針對記憶體、主機板晶片組、初始化動作：針對記憶體、主機板晶片組、顯示卡及週邊裝置做初始化動作顯示卡及週邊裝置做初始化動作 開機自我測試：檢查中央處理器開機自我測試：檢查中央處理器 (CPU) 及各及各控制器之狀態是否正常。控制器之狀態是否正常。 BIOS 簡介國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-37目前主機板BIOS幾乎清一色都是透過 Flash Memory儲存，因應設定即時變更的需求 國立清華大學資訊工程

16、學系2009/09/29P-38 代表甚麼意思呢?INTEL Core i7 920 2.66GHz 國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-39系統時鐘(clock)系統時鐘以固定的速率製造脈波(clock)一個程式指令可能是由一串小指令所組成每一個 指令CPU至少須要花一個脈波(clock)才能完成每一種類型的 CPU 都有一組指令集 也就是它能了解與處理的指令國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-40INTEL Core i7 920 2.66GHz 表示每秒可產生表示每秒可產生 26.6 億個億個clock國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-41何謂效能反

17、應時間(Response Time) 把一件工作丟給CPU,從送進去到完成工作,兩者的時間差反應時間越短,表示CPU效能越好.兩個常用指標MIPS每秒可執行多少百萬個指令MFLOPS每秒可執行多少百萬個浮點運算指令國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-42高效能計算機目標想辦法讓CPU的速度愈快越好,因此儘量提高 MIPS讓CPU的速度愈快管線(pipelining)國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-43Review(p.14) 一個指令通常分成四步驟來執行一個指令通常分成四步驟來執行1.擷取擷取2.解碼解碼3.執行執行4.儲存結果儲存結果擷取擷取 解碼解碼 執行執行

18、儲存儲存擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存10ns5ns8ns7ns指令1指令2指令3國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-443*(10+5+8+7)=90 ns採用管線採用管線(pipelining)(pipelining)技術技術不採用管線不採用管線(pipelining)(pipelining)技術技術(N-1)*10ns+40ns =(3-1)*10ns+40=60ns採用管線技術,執行3個指令所須時間快30ns效能提高了33% (90-60/90=0.33)擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存10ns5ns8ns7ns指令1指令2指令3擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存擷取擷取 解碼解碼 執行執行 儲存儲存10ns10ns10ns10ns10ns10ns指令1指令2指令3國立清華大學資訊工程學系2009/09/29P-45微處理器的種類微處理器的種類IntelPentiumCeleron XeonCore 2 Duo Core 2 Quadi5i7AMDAM3 AthlonAM3 PhenomAM3 Sempron國立清華大學資訊工程學系2009/0