電腦科技概論课件

單元一導論1單元一課程目的了解計算機組織與計算機結構的不同了解一般測量電腦系統的單位體會電腦是如何的演進如何將電腦視為階層式的系統能夠解釋vonNeumann架構和電腦組件的根本功能2為什麼要學習計算機組織和結構呢？設計更好的程式，包含系統軟體-像是編譯器、作業系統和裝置驅動程式對程式的行為最正确化衡量電腦系統的好壞了解時間、空間，和價格之間的取捨1.1概觀31.1概觀計算機組織包含所有電腦系統的實體設備即，電路設計、控制信號，記憶體型態電腦如何運作？計算機架構程式設計師所看到邏輯層面的系統設計即，指令集、指令格式，資料型態，定址模式我如何設計電腦？41.2電腦的組件計算機組織和計算機結構並沒有一個明確的定義可供分辨它們軟硬體等效原理任何體軟體能做的事硬體一定能做，任何硬體能做的事軟體也一定能做**不考慮速度的情況下5根本來說，電腦是由三個部份所組成：用來翻譯並執行程式的處理器儲存資料和程式的記憶體和外界傳送資料的機制1.2電腦的組件6看看下面的廣告：1.3系統範例MHz??MB??PCI??USB??L1Cache??這些代表的意義是什麼??7容量和速度的度量單位：Kilo-(K)=1thousand=103and210Mega-(M)=1million=106and220Giga-(G)=1billion=109and230Tera-(T)=1trillion=1012and240Peta-(P)=1quadrillion=1015and2501.3系統範例單位是以十為底或是二為底是取決為所量測的東西為何8 RAID〔RedundantArrayofIndependentDisks，獨立磁碟冗餘陣列，簡稱為磁碟陣列〕的根本思想就是把多個相對廉价的硬碟組合起來，成為一個磁碟陣列組，使性能達到甚至超過一個價格昂貴、容量巨大的硬碟。1.3系統範例91.3系統範例101.3系統範例111.3系統範例12Hertz=每秒幾個週期(頻率)1MHz=1,000,000Hz處理器的速度就是以MHzorGHz來計算Byte=儲存的單位1KB=210=1024Bytes1MB=220=1,048,576Bytes主記憶體(RAM)是以MB或GB來計算硬碟則是以GB或TB來計算1.3系統範例131.3系統範例時間和空間的度量：Milli-(m)=1thousandth=10-3Micro-()=1millionth=10-6Nano-(n)=1billionth=10-9Pico-(p)=1trillionth=10-12Femto-(f)=1quadrillionth=10-1514Millisecond=千分之一秒硬碟的存取時間通常為10to20millisecondsNanosecond=十億分之一秒主記憶體的存取時間通常為50to70nanosecondsMicron(micrometer)=百萬分之一米電路和計算機晶片的大小以microns計算1.3系統範例15我們發現週期時間是時脈頻率的倒數一個操作頻率為133MHz的匯流排，其週期為7.52奈秒:1.3系統範例現在回過頭來看前面的廣告...133,000,000cycles/second=7.52ns/cycle161.3系統範例電腦內靠系統匯流排來傳輸資料。匯流排越快越好。這邊的速度是133MHz微處理器是系統的“大腦〞。它用來執行程式的指令。這部電腦的處理器是PentiumIII(Intel)，速度為667MHz171.3系統範例擁有較大主記憶體容量的電腦可以以較快的速度來執行較大的程式RAM是RandomAccessMemory的縮寫。隨機存取的意思是，如果我們知道所要的資料在什麼位址時，我們就可以直接去存取它Cache是一種暫時性的記憶體，其存取速度比

RAM還快181.3系統範例…並且有二層的cache記憶體，第一層(L1)cache比較小且(應該)比L2cache快。請注意這些cache的大小是以KB來計算的這個系統有64MB的(快速)同步動態RAM(SDRAM)...191.3系統範例比較各種記憶體資料的存取速度Register>Cache>RAM>ROM>HardDisk>CD>Floppy>Tape201.3系統範例這邊的容量是30GB，7200RPM是硬碟的轉速。

一般來說，轉速越快，傳送資料到

RAM的速度就越快。(還牽涉了許多其它的因素。)硬碟的容量決定了你能儲存多大的程式diskaccesstime=seektime+rotationtime+transmissiontime211.3系統範例CD-ROM能儲存650MB的資料，它很適合用來發授商用套裝軟體。48x是它的速度EIDE為enhancedintegrateddriveelectronics，它代表硬碟和其系統元件是如何連接的221.3系統範例這個系統有四個portsPorts

讓資料在系統和外部裝置間運作231.3系統範例串列ports將資料放在一或二條導線上以脈波方式傳送平行ports將資料放在至少八條導線上以脈波方式傳送USB,universalserialbus,是一種智慧型的串列介面，擁有self-configuring的特性。(支援“plugandplay〞)2.0速度為480Mbps241.3系統範例IEEE1394也是高速傳輸資料的一種高速序列匯流排，當初由蘋果公司與德州儀器公司合作開發，後來在1995年被IEEE納入標準。最多可以串接63個週邊，支援隨插即用與熱插拔的功能。全名為IEEESTD1394-1995，後來被修正為IEEE1394A與IEEE1394BIEEE1394A傳輸速率分為S100(98.3Mbps)、S200(196.6Mbps)、S300(393.2Mbps)IEEE1394B則可達800Mbps、1.6GBps、3.2Gbps以上，極為驚人。251.3系統範例系統匯流排能夠藉專屬I/O匯流排來擴充。PCI,peripheralcomponentinterface,就是這種匯流排此系統有二個PCI裝置：一個是音效卡，一個是用來上Internet的modem261.3系統範例refreshrate

是影像在螢幕上每秒能夠重畫幾次。

dotpitch則告訴我們影像會有多清晰這個螢幕的dotpitch為0.28mmrefreshrate為85Hz圖型顯示卡含有支援螢幕的記憶體和程式27

硬碟運作原理：1.3系統範例281.3系統範例291.3系統範例301.3系統範例CD-ROM發展歷史60年代，美國的能量轉換設備ECD(EnergyConversionDevices)公司開始利用雷射來紀錄0與1的研究，採用的材料是相變(phase-change)材料，為半金屬材料，有兩個穩定狀態：晶態與非晶態，利用這兩個狀態對光的反射率不同可檢測出0與1，該材質所製成的光碟稱之為相變光碟PCD電子技術中有三束，電子束、離子束、雷射光束，其中以雷射光束來紀錄資料最實際。在不需要真空設備下，雷射光束可聚焦至1µm以下相變光碟的材料用於紀錄資料不夠穩定可靠311.3系統範例Philips另闢途徑，利用凹凸外表來紀錄資料，對於雷射光束的反射率不同-LD，紀錄類比訊號Philips與Sony合作開發CD-DA，就是現在的雷射唱片，紀錄數位訊號，在1982年問世，直徑12cm，可播放72分鐘高質量的音樂節目，CD光碟片的音訊信號質量成為標準CD質量、FM調頻質量、AM質量、電話語音質量是Philips公司光碟技術與Sony公司糾錯技術結合的產物，光碟原始誤碼率由10-4降到10-9以下16000TPI，光跡間距1.6μm，光跡寬度0.6μm，總長約5km，凹坑深度約0.12μm光跡分為導入區、資訊區與導出區三部份開始用於資料儲存32CD-R原理原理:藉由高功率的雷射光照射CD-R光碟片的染料層，使其產生化學變化造成CD-R光碟片平面產生不同的凹洞(Pit)進而分辨0或1的訊號，而0和1即數位世界裡的根本訊號表示方式依據染料層的不同分為綠片,藍片,金片等33CD-RW原理為CD-ReWritable的縮寫可以重複寫入的光碟燒錄技術，必須使用專門的CD-RW片原理為利用鍍在光碟片上的銀，銦，硒或碲結晶層可因雷射光功率的不同而有結晶和非結晶兩種狀態進行訊號的設定動作，由於結晶狀態可以改變，因此可重複燒錄。341.3系統範例351.3系統範例EFM(EighttoFourteenModulation)調變編碼把使用者資料、位址資訊、錯誤校正碼、同步位元等通通變成通道位串(bitstream)雷射波長780nm，聚焦雷射用的物鏡的數值孔徑約為0.45nm，凹坑與非凹坑長度介於0.833μm到3.054μm間兩個連續的1變成通道位元時需要插入兩個0-最小游程(run-length)考慮紀錄信號本身的自同步及其他因素，兩個1之間0的個數不可超過10個-最大游程214=16384，267滿足游程限制，合併時有10個不合用，任意去掉一個361.3系統範例371.3系統範例38

在接下來的內容中，你會看到這些組件如何運作，並且如何和軟體溝通來讓電腦系統運行有二個重要的問題產生了：我們是怎樣確保電腦組件會照我們預期的來運作呢?而且我們是怎樣確保電腦組件之間能夠一起運作無誤呢？1.3系統範例39有很多的組織在訂定電腦硬體的標準–包含電腦組件間軟硬體的溝通在你往後的生活或職業生涯裡，你會不斷的碰到這些東西一些最重要的標準制定組織有...1.4標準組織40國際電機電子工程學會(IEEE)一個促進共同利益的世界性電機工程社群建立電腦組件、資料表示、信號協定和其它林林種種的標準1.4標準組織41國際電信協會(ITU)關注在電信系統的溝通，包含資料通信和電話通訊方式各國的標準制定團體：TheAmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)TheBritishStandardsInstitution(BSI)1.4標準組織42國際標準組織(ISO)建立世界上各種事物的標準，小從螺絲丁的螺紋到軟片對電腦軟硬體的標準制訂有其影響性，包括他們的製造方法1.4標準組織43Tofullyappreciatethecomputersoftoday,itishelpfultounderstandhowthingsgotthewaytheyare.Theevolutionofcomputingmachineryhastakenplaceoverseveralcenturies.Inmoderntimescomputerevolutionisusuallyclassifiedintofourgenerationsaccordingtothesalienttechnologyoftheera.Wenotethatmanyofthefollowingdatesareapproximate.1.5歷史發展44第0代：機械式計算機器(1642-1945)計裱式計時器-WilhelmSchickard(1592-1635).Pascaline-BlaisePascal(1623-1662).DifferenceEngine-CharlesBabbage(1791-1871)，有設計出但未被製造的AnalyticalEngine.打孔卡式的機器-HermanHollerith(1860-1929).在1970年代，用Hollerith卡片來輸入的情況非常普遍1.5歷史發展45第一代：真空管電腦(1945-1953)AtanasoffBerryComputer(1937-1938)解線性方程式JohnAtanasoffandCliffordBerryofIowaStateUniversity1.5歷史發展46第一代：真空管電腦(1945-1953)ElectronicNumericalIntegratorandComputer(ENIAC)JohnMauchlyandJ.PresperEckertUniversityofPennsylvania,1946第一部通用型電腦1.5歷史發展47第一代：真空管電腦(1945-1953)IBM650(1955)在1969停產第一部量產的電腦1.5歷史發展48第二代：電晶體電腦(1954-1965)IBM7094(科學用途)and1401(商用)DigitalEquipmentCorporation(DEC)PDP-1Univac1100...還有很多其它的DECPDP-11.5歷史發展49第三代：積體電路電腦(1965-1980)IBM360DECPDP-8andPDP-11Cray-1超級電腦...還有很多其它的IBM360Cray-11.5歷史發展50第四代：超大型積體電路電腦(1980-????)超大型積體電路(VLSI)在一個晶片上含有超過10,000個元件讓微處理器得以實現第一個就是4-bit的Intel4004後來，像是8080,8086,and8088蘊育了“個人計算〞的概念Intel40041.5歷史發展51CrayT90超級電腦1.5歷史發展52Moore’sLaw(1965)GordonMoore,Intel的創辦人“積體電路中電晶體的密度，每兩年就會倍增〞，即性能也倍增，但價格不變現在的版本:“矽晶片的密度每18個月就會倍增〞但是這個“定律〞不會永遠都成立的...1.5歷史發展531.5歷史發展54Rock’sLawArthurRock,Intel創辦人“生產半導體的本钱每四年就會倍增〞在1968,一個晶片廠約要$12,000美元當時,$12,000可以在市郊買一棟不錯的房子了一個一年能賺$12,000美元的人可以過“很好的生活〞1.5歷史發展55Rock’sLaw在2003，蓋一座晶片廠要花費超過$2.5billion如果Moore’sLaw要成立，那Rock’sLaw就必需不成立，或是相反。

但是沒人能說出那一種情況會先出現$2.5billion比一些小國的國民生產毛額還要高了,像貝里斯,不丹,獅子山共和國等1.5歷史發展56除了晶片之外，電腦是由許多其它的東西所組成的在電腦能做些有價值的事情之前，它必須使用軟體才行我們必須用“分擊法〞來寫複雜的程式，就是每個程式模組解決一小部份的問題-軟體工程、日不落帝國複雜的電腦系統也在虛擬的機器層級中使用類似的技巧1.6電腦階層57每個虛擬機器層級都是下一層的抽像化層級每一層機器都執行它們特殊的指令，去呼叫下一層的機器來執行所需的工作最後電腦的電路會完成所要的工作1.6電腦階層58Level6:使用者階層(TheUserLevel)程式執行及使用者介面階層這是我們最熟悉的Level5:高階語言階層(High-LevelLanguageLevel)我們寫一些語言，如C,Pascal,Lisp,和Java時，所會接觸到的階層1.6電腦階層59Level4:組合語言階層(AssemblyLanguageLevel)對level5而來的組合語言產生動作，也可以直接在這層寫組合語言程式Level3:系統軟體階層(SystemSoftwareLevel)控制系統中行程的執行保護系統的資源組合語言指令通常直接的經過這一層1.6電腦階層60Level2:機器階層(MachineLevel)也稱為指令集架構(ISA)階層由特殊機器架構的指令所組成以機器語言所寫的程式不需要用到編譯器、直譯器，或是組譯器1.6電腦階層61Level1:控制階層(ControlLevel)控制單元對指令解碼並執行，並且在系統中搬運資料控制單元可以是微程式化或是硬體接線式的

微程式是一種以低階語言寫成的程式，經由硬體來實現硬體接線式控制單元是由直接執行硬體指令的硬體所組成1.6電腦階層62Level0:數位邏輯階層(DigitalLogicLevel)這一層是數位電路所存在的階層(晶片)數位電路是由閘和線所組成這些元件實現了其它層的數學邏輯式1.6電腦階層63在ENIAC的機器上，

寫程式必須在數位邏輯階層完成在電腦上寫程式就是要插拔一些線1.7vonNeumann模型64ENIAC的發明者，JohnMauchley和J.PresperEckert，想像電腦可以儲存指令在記憶體內這個觀念肇始於一個數學家，JohnvonNeumann，他和Mauchley及Eckert是同一個時代的人內儲程式電腦就是vonNeumann架構系統1.7vonNeumann模型651.7vonNeumann模