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　　第一章 電腦（計算機）科技簡介 Lecturer 許明宗 绪言 近年來由於資訊軟硬體產業的火速進步，讓我們的存在越來越方便，所以酿成了一個資訊的時代。 本章將對這些資訊應用所需的軟、硬體設備的發展歷史、用处以及未來發展趨勢加介紹。 大綱 1 電腦特征 2 電腦技術的演進與未來發展目标 3 電腦的種類與組成 4 數字系統：資料呈现法 5 文字資料呈现法 6 主题處理器（CPU） 7 記憶體（Memory） 8 電腦結構的最新設計 1 電腦特征 優點： 計算速率速 儲存本领強 牢靠度高 具備通訊本领 問題 壮健問題 容錯本领 著作權爭議 網道言論 跨國犯法 環保議題 2 電腦技術的演進與未來發展目标 2.1 電腦的誕生 2.2 電腦的演進歷史 2.3 未來的電腦（第五代電腦） 2.4 電腦的未來趨勢 2.1 電腦的誕生 2.1 電腦的誕生 (cont’d) 2.1 電腦的誕生 (cont’d) 計算器材 『算盤』，1300 加法器：法國數學家巴斯卡(Blaise Pascal) ，1642 乘法器：德國人萊伯尼茲(Gottfried Leibnitz) ，1672 差分器及判辨器：英國數學家巴貝基(Charles Babbage) ，1832 外格運算機器：美國生齿調查局的赫羅瑞斯(Herman Hollerith) ，1890 行使繼電器的計算器材 電動計算器：貝爾電話實驗室的史提必茲(George Stibitz) ，1937， 繼電式電腦：史提必茲，1940年 Mark I：哈佛大學的愛肯讲授(Professor Howard Aiken) 、IBM，1944 2.1 電腦的誕生 (cont’d) 行使线年，愛特納索夫讲授(Professor John V. Atanasoff)及其助理貝瑞(Clifford Berry)落成由45個真空管構成記憶體的數位計算機，為天下上第一部電子數位計算機，定名為 Atanasoff-Berry Computer, ABC。 1946年，毛琦雷讲授(Professor J. W. Mauchly) 與他的學生愛克特(J. P. Eckert)以ABC的基礎，設計電子數值積分及計算器（Electronic Numerical Integrator And Calculator, ENIAC ）。 1952年，賓州大學落成了電子離散變數計算機（Electronic Discrete Variable Computer, EDVAC）。 1951年，雷明頓蘭得(Remington Rand)公司落成了天下上第一部商業用处電腦，定名為：Universal Automatic Computer, UNIVAC。 行使真空管所設計的機器落选了行使繼電器所設計的機器。『真空管』確立了電腦發展歷史的確切位置，被稱為第一代電腦。 2.2 電腦的演進歷史 2.2 電腦的演進歷史 (cont’d) 【IC技術的演進】 2.2 電腦的演進歷史 (cont’d) Moore’s Law “Stuff” (transistors, etc) doubling every 1-2 years 2.3 未來的電腦（第五代電腦） 歷史上曾經出現第五代電腦的說法 1980年，日本曾經提出發展第五代電腦的十年計劃，目標是要設計一個和人類一樣，具有聪颖，能夠和人類以自然語言溝通，並具有專家性質，能夠替人們解決問題的電腦或機器人。 人工聪颖蕴涵的技術非凡廣闊，某些方面確實已經獲得不錯的成效，但有許众方面則有待奋发。 行使生物晶片來代替目前的半導體晶片，以便供应更高速率的運算本领。 奈米科技除了能够讓電腦變得更小用，因為奈米所变成的物理性質的改變，也是目前研讨的重心。 2.4 電腦的未來趨勢 更速的電腦：製程技術、電腦組織與結構的設計、平行化處理等等。 更小的電腦：製程技術、電腦組織與結構的設計等等。 容量更大的電腦：新技術的研發以及製程技術的修正。 更聰明的電腦：人工聪颖(AI) 、資料探勘。 更平安的電腦：病毒(virus)、病蟲(worm) 、駭客(hacker) 。 更大的頻寬：更大的頻寬、更新的網道結構以及更佳的資料壓縮技術。 更容易、舒適的行使環境：人機界面。 3 電腦的種類與組成 3.1 電腦的分類 3.2 個人電腦 3.3 電腦的組成 3.3.1 硬體 3.3.2 軟體 3.1 電腦的分類 一、依用处分類 大凡用处電腦 (General Purpose Computer) 特别用处電腦(Special Purpose Computer) 二、依處理資料的類型分類 類比式電腦(Analog Computer) 數位式電腦(Digital Computer) 搀和式電腦(Hybrid Computer) 三、綜合分類 與記憶容量、處理速率、軟體救援度、體積、價格崎岖等有關，能够區分為超級電腦、大型電腦、中型電腦、小型（迷你）電腦、微型個人電腦等。 3.1 電腦的分類 (cont’d) 3.2 個人電腦 針對個人或家庭設計的電腦寻常屬於個人電腦(Personal Computer, PC) IBM正在1981年推出IBM PC，各家廠商競相效法其架構製制相容的電腦PC，使得PC一詞也成為IBM相容PC的簡稱。 IBM相容PC 16位元電腦 IBM PC（ Intel的8088微處理器）、PC-XT、 PC-AT（ Intel的80286微處理器） 32位元個人電腦 Intel的80386微處理器、Intel 80486微處理器、Pentium、Pentium MMX、AMD K5、Cyrix 6x86、、、 64位元個人電腦 AMD Athlon64 3.2 個人電腦 (cont’d) 由於IBM將公司主力放正在大型電腦的研發，將CPU交給英特爾，將作業系統委託微軟開發，所以培育了下列三項大事。 IBM相容PC大宗出現，組裝電腦大行其道 微軟與英特爾的振兴 CPU代名詞 3.2 個人電腦 (cont’d) 麥金塔電腦(Macintosh) Apple公司正在1977年推出Apple I、II，是天下上第二部PC（第一部是Ed Robert正在1975年製制的Altair 8800）。 最新的Apple PC則被定名為麥金塔電腦(Macintosh) 操作介面非凡人性化，很早就行使滑鼠及視窗化介面，對於專業美工排版而言，效力更勝於IBM所推出的PC。 設計架構和IBM PC齐全分歧，採用的是Motorola等公司出產的PowerPC處理器，以是又稱為Power PC。 作業系統也是由Apple公司獨立開發 (Mac-OS)。 軟體的適用性牽扯到作業系統，所以麥金塔電腦的軟體與IBM PC的軟體並欠好像。 由於麥金塔電腦这样封閉及特别，所以能够行使Apple、Mac、PowerPC等代名詞來加以稱呼。 3.2 個人電腦 (cont’d) 3.2 個人電腦 (cont’d) 筆記型電腦(NoteBook) PC一詞只被侷限於描绘IBM相容PC的桌上型（desktop）。 筆記型電腦(NoteBook)的效用和PC齐全一樣，不過它比大凡個人電腦更輕，把滑鼠、鍵盤也蕴涵正在內，並加上電池裝置，成為能够隨身攜帶的電腦。Intel也針對了筆記型電腦設計了少少專用的CPU，以減少其耗電量。 3.2 個人電腦 (cont’d) DeskNote DeskNote顧名思義便是介於Desktop（桌上型）與NoteBook（筆記型）電腦之間的一種電腦機型。 個人數位助理(PDA) 個人數位助理(Personal Digital Assistants；簡稱PDA)是一種非凡小型的電腦，它能够放入口袋中隨身攜帶，並且行使手寫輸入、觸控螢幕作為輸入設備。 3.2 個人電腦 (cont’d) 平板電腦(Tablet PC) Tablet PC具有可摺疊的優點，結合了PDA與NoteBook的特征，一方面它能够直接行使手寫輸入、觸控螢幕等來輸入資料，體積及机能又和NoteBook差異不大。 網道電腦(Network Computer) 網道電腦是一種極為特别的電腦設備，它齐全是因應Internet盛行所出現的一種電腦。網道電腦有CPU與記憶體，它能够連結到電視中，讓行使者透過電視及網道連上Internet，進行網道瀏覽與买卖。其余，網道電腦也能够搭配鍵盤與螢幕來上網。 3.3 電腦的組成 電腦系統能够分為行使者(user)、硬體(hardware)與軟體(software)等三項 『行使者』便是行使或治理電腦的人 『硬體』便是組成電腦的電子元件以及各項設備 『軟體』則是一種笼统化的名詞，它必須以某種布列格式附著於某個硬體之上，比如：附著於記憶體、硬碟、光碟片中，而『軟體』的效用則是见告電腦該去做什麼或供应電腦所需求資料的來源。 3.3.1 硬體 (Hardware) 『硬體』便是悉数能够看到的電腦設備（連電腦外殼也拆掉）。 實際上，若從效用面加以區分，大凡會將電腦硬體分為算數邏輯單元、职掌單元、記憶體單元、輸入單元、輸出單元等5大單元。 3.3.1 硬體 (cont’d) 3.3.1 硬體 (cont’d) 算數邏輯單元(Arithmetic and Logic Unit, ALU) ，執行程式中各類運算的實體單位。 算數運算：加、減、乘、除等等的數值運算。 邏輯運算：AND、OR、NOT等位元／位元組的邏輯運算。 职掌單元(Control Unit, CU)职掌流程及協調輸入、輸出、記憶、算數邏輯等4大單元的運作 當指令進入CPU之後，职掌元件就會先進行指令解碼(Decode)，並遵从指令種類執行對應的微程式，發出分歧的訊號落成該指令所需求落成的各項效用，最後執行邏輯電道以便博得下一個指令。 3.3.1 硬體 (cont’d) 記憶體單元(Memory unit and Storage Unit) 主記憶體（又稱為內部記憶體），特征為存取速率速、本钱高。 隨機存取記憶體(Random Access Memory, RAM) ：本钱較低，可是無法於電力消亡時保留資料，為揮發性記憶體。 唯讀記憶體(Read Only Memory；簡稱ROM)。ROM本钱較高，但卻能够正在無電力的狀況下保留資料，傳統的ROM只可寫入資料一次。 輔助記憶體（又稱為外部記憶體），以磁性物體或光學资料組成，比如：硬碟機、軟碟片、光碟片。 輔助記憶體的存取速率相對於主記憶體慢了數十倍以上，但製作本钱則比厉重記憶體低了數十倍以上。 3.3.1 硬體 (cont’d) 輸入單元(Input unit) 具有輸入效用的週邊設備，比如鍵盤、滑鼠、搖桿等等。藉由這些輸入裝置與電腦博得溝通的管道。 3.3.1 硬體 (cont’d) 輸出單元(Output unit) 具有輸出效用的設備皆屬輸出單元的元件，厉重效用是將程式執行的結果（如：文字、聲音、影像等）輸出或顯示。常見的輸出裝置比如螢幕、印外機等等。 某些設備也也许同時具有輸入與輸出的效用，比如：觸控式螢幕、會震動的搖桿等等。 3.3.1 硬體 (cont’d) 3.3.2 軟體 (Software) 『軟體』是一種笼统化的名詞，以某種布列格式附著於硬體之上 軟體又分為資料(data)與程式(program)兩大類 程式(program)是由一組有順序的指令(instruction)所構成，而指令則是指揮電腦作業格式的下令。 程式又能够分為系統程式與應用程式兩大類。 系統程式大凡為較挨近硬體底層的低階程式，比如：作業系統、編譯器、組譯器、連結器等。 應用程式則是架構正在系統程式之上，依據某種特别需求而開發出來的軟體，比如：Office、帳務系統、電腦遊戲等。 3.3.2 軟體 (cont’d) 3.3.2 軟體 (cont’d) 4 數字系統：電腦內部的資料呈现法 電腦中枢元件（比如主题處理器、主記憶體等等）皆由半導體材質製作而成，電晶體（以半導體製作而成）是電腦中枢元件的厉重構成元素。 電晶體正在電道中饰演著『開』與『關』的開關脚色，所以，最適合以2進位來加以呈现。 念要更深一步知道電腦內部的運作形式，起首，我們必須先學習其余一套有別於10進位的數字系統，也便是2進位與16進位數字系統。 4.1 二進制及電腦的儲存單位 對於人來說，最常行使的是十進制、十二進制（比如一打）或六十進制（比如：時間）。 實際上並非通盘的現實狀況都會產生十種變化，某些現實狀況，採用二分法更能夠簡化問題，如圖中，我們能够用11001來呈现五顆燈泡與五根水管的開關狀態。 4.1 二進制及電腦的儲存單位 (cont’d) 電子元件寻常只可夠顯示開（ON）或關（OFF）兩種狀態，所以電腦行使的是二進位數（Binary Digit）來呈现資料。 二進位的每一個位數稱之為位元（Bit）。用來呈现0或1的狀態。 位元是記憶體的最小儲存單位，只可夠產生2種變化（0與1），為了外達更众狀態的變化，必須以众個位元來組合。 8個位元（Bits）組合成1個位元組（Byte），能够產生28=256種變化。 一個位元組的變化足以用來呈现某些英文字母、數字或符號。 另一種計算存取資料的單位稱為字組（Word），一個Word到底蕴涵众少個Bytes，必須視硬體結構而定。 一個Word也许等於2個bytes（16位元電腦）、4個bytes（32位元電腦）、8個bytes（64位元電腦）。 4.1 二進制及電腦的儲存單位 (cont’d) Byte為記憶體儲存單位中最常被行使的呈现單位，另外，還有千位元組（Kilo Bytes，簡稱KB）、百萬位元組(Mega Bytes；簡稱MB)、十億位元組(Giga Bytes；簡稱GB)、兆位元組（Tera Bytes；簡稱TB）等來描绘記憶體容量，其實際容量如下。 4.2 數字系統 十進制每一位數共有0～9等10種變化，並且逢十進位。而六十進制大凡行使正在時間的外達上，也便是逢六十進位，比如：1小時=60分鐘、1分鐘=60秒。 由於電子訊號的緣故，電腦內部的數字系統只可採用2進制（0與1的變化），但過長的01字串不时使得程式設計師閱讀不易，因此採用8進制系統（octal system）或16進制系統（hexadecimal system）來加以速記。 我們能够推導出一個適适用苟且數字系統的公式，然後再將此公式套用於分歧的數字系統。 正在十進位系統中，我們將能够一個數值领会為如劣等式： 359.68 = 3*102+5*101+9*100+6*10-1+8*10-2 4.2 數字系統 (cont’d) 觀察上述等式，我們能够發現，10為十進制的基底，所以，我們能够將基底由十進制擴充到K進制數字系統，一個K進制的正數N能够行使下列众項式來外達： 众項式中的每一位數（Di）我們稱之為位數（Digit），最左邊數字Dp-1稱為最高有用位數（Most Significant Digit；簡稱MSD）、最右邊數字D-q稱為最低有用位數（Least Significant Digit；簡稱LSD），並將基底K放正在數值N的右下角標註， 4.2 數字系統 (cont’d) 十進制（K=10）數字系統具有下列特征： 每一位數能经受的數字符號為：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。 每一位數所代外的量，根據其地方而有分歧的指數加權（底數為10） 整數部份由小數點的左邊以10的正冪次目标左一一遞增（次方由0開始） 小數部份由小數點的右邊以10的負冪次目标右一一遞減（次方由-1開始） 10進制正在做運算時，每一位數逢10向左進位。 4.2.1 二進制數字系統 只要0、1變化的數字系統稱為2進制數字系統。為了與10進制的數值產生區別，正在數值右下角加上一個下標2，以示區隔。 2進制數字系統特征： 每一位數（Digit）只经受0、1兩種變化，所以二進制的位數又稱為位元。 最高有用位元稱為MSB（Most Significant Bit）、最低有用位元稱為LSB（Least Significant Bit）。 每一個Bit所代外的量，根據其地方而有分歧的指數加權。 整數部份由小數點的左邊以2的正冪次目标左一一遞增（次方由0開始）。 小數部份由小數點的右邊以2的負冪次目标右一一遞減（次方由-1開始）。 進制正在做運算時，每一Bit逢2向左進位。 （以是12+12不是等於2，12+12是等於102） 4.2.1 二進制數字系統 (cont’d) 【範例】：1001.1012之位數及加權計算如下： 4.2.2 十六進制數字系統 行使二進制來呈现數值，不时會出現一連串的0、1串列，禁止易識別與記憶，為了升高數值的可讀性，寻常採用8進制或16進制來呈现。 16進制數字系統具有下列特點： 每一位數也许经受的數字符號為0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F 每一位數所代外的量，根據其地方而有分歧的指數加權。 整數部份由小數點的左邊以16的正冪次目标左一一遞增（次方由0開始）。 小數部份由小數點的右邊以16的負冪次目标右一一遞減（次方由-1開始）。 16進制正在做運算時，每一位數逢16向左進位。 數值下方加上16代外16進制數字，或者正在數值結尾加上h或H來呈现行使巨细寫的16進制數字，比如：1AH、5dh。 4.2.2 十六進制數字系統 (cont’d) 【範例】：6A416之位數及加權計算如下： 4.2.3 八進制數字系統 8進制數字系統具有下列特點： 每一位數也许经受的數字符號為0，1，2，3，4，5，6，7。 每一位數所代外的量，根據其地方而有分歧的指數加權（底數為8）。 整數部份由小數點的左邊以8的正冪次目标左一一遞增。 小數部份由小數點的右邊以8的負冪次目标右一一遞減（次方由-1開始）。 8進制正在做運算時，每一位數逢八向左進位。 寻常會將數值下方加上8代外8進制數字，也有少許書籍會正在8進制數字後面加上下標o或O來呈现行使8進制數字。 4.2.3 八進制數字系統 (cont’d) 【範例】：5728之位數及加權計算如下： 5 文字資料呈现法 前面章節介紹了數值資料正在電腦的存放格式，而文字資料又是若何被放到記憶體的呢？由於每一個記憶體單元只可经受0、1等2進制的呈现法，所以文字資料必須先經由編碼，使得分歧的字元對應到独一的位元圖樣（bit pattern），然後才智存入記憶體中。目前最集体的編碼為ASCII，繁體中文則為Big5碼。另外，為了統一各國文字的編碼格式，其余也發展了Unicode編碼格式。 5.1 ASCII碼 ASCII碼(American Standard Code for Information Interchange，唸做as-key)為美國國家標準局所订定，主意是供应一個各類電腦皆通用的編碼格式以便於使得這些電腦能够互通訊息。 ASCII碼為7個bits，所以能够產生128種變化，每一個變化都能够用來呈现一個特别字符，个中的95個字符為可列印字符，而剩餘的字符則為弗成列印的特别职掌字符，比如：換列、倒退鍵、歸位等。 1個Bytes為8個Bits，所以留下剩餘的1個Bit並無任何用意，有時將該位元用來記錄同位檢查，或者將ASCII擴充為8個Bits，稱之為ASCII-8，能够產生256種變化。 5.1 ASCII碼 (cont’d) 5.1 ASCII碼 (cont’d) ASCII的應用實例非凡众，比如您正在個人電腦中的鍵盤按下一個『H』鍵，它將會被轉換為4816，便是ASCII碼然後再存入記憶體中。 雖然ASCII是目前最集体的編碼系統，但並非通盘的系統都採用這種編碼格式，比如IBM則採用8位元碼EBCDIC（Extended Binary Coded Decimal Interchange Code）或ASCII-9，以便外達較众的字元變化。 5.2 中文內碼 中文字众達數萬字，必須行使2個位元組來加以儲存一個中文字型的內碼，這種編碼格式稱為『雙位元組編碼』。就中文而言則稱為「中文內碼系統」。 BIG5（也能够寫作Big-5；稱為大五碼）、王安碼、CCCII碼（Chinese Character Code for Information Interchange）、CNS11643-1992 。 資策會和五家電腦公司正在1984年订定BIG5碼做為中文系統。 BIG5碼共供应了五千众個常用字，七千众個次常用字，其余尚有499個特别符號，所以一共約制訂一萬三千众個中文字內碼。 5.2 中文內碼 (cont’d) 5.3 Unicode 非英語系國家面臨文字數量較众的問題，為了統一解決這個問題，所以發展出Unicode編碼系統。 依據ISO/IEC 10646標準所订定的的編碼系統。 行使2個位元組來呈现字元符號，所以能够產生65536個字元，最前面的128個字元與ASCII好像。 行使Unicode將能够讓電腦處理目古人類所遭受的通盘語系，不需求為各種分歧語系設計分歧的編碼系統，正在網際網道中，更加有效。 5.3 Unicode (cont’d) Unicode的優點 網際網道的發達，跨國性的文献不时會被採用。 行使繁體的瀏覽器閱讀簡體網頁時，會發生衝碼現象。 瀏覽網頁發生衝碼現象，厉重則是由於該網頁採用各國自行行使的內碼所致，若行使Unicode進行編碼的話，就不會發生這種現象。 5.3 Unicode (cont’d) UTF-16與UTF-8 Unicode行使16位元進行各國文字的編碼，這種格局稱之為UTF-16。對於某些一起都是英文的文献而言，行使UTF-16的16個位元存放英文字母，顯得有些浪費。 UFT-8的編碼長度並不是固定的8位元，而是一種可變動式的編碼長度 英文以8位元儲存，中文以24位元儲存。 中文字出現頻率較高的文献，行使UTF-16格局儲存會比UTF-8來得節省空間。 6 主题處理器（CPU） 主题處理器（Central Processing Unit, CPU），也稱之為處理器（Processor）或微處理器（Microprocessor），是電腦最紧急的一個元件，其效用有如人類的大腦，厉重負責算數邏輯運算及執行程式。 6 主题處理器 (cont’d) 6 主题處理器 (cont’d) CPU是由职掌單元、算數邏輯單元、及暫存器所組成 6.1 职掌單元（CU） 职掌單元（Control Unit, CU）职掌流程及協調輸入、輸出、記憶、算數邏輯等4大單元的運作。能够讀取指令、解釋指令、產生职掌訊號职掌算數邏輯單元及暫存器來落成指令所代外的职责。 記錄指令運作順序的微程式（microprogram） 博得下一指令的邏輯電道 驅動元件的解碼器（decoder） 众工器（multiplexer）。 职掌單元的製作格式，寻常分為下列兩種： 硬體線道职掌（hardwired control） 微程式职掌（microprogrammed control） 6.1 职掌單元 (cont’d) 硬體線道职掌（hardwired control）： 將指令透過有限狀態自動機(finite state automata)加以設計，再用邏輯電道來實作。指令會有一組相對應的邏輯電道負責落成該項指令的效用。 優點是執行速率速 缺點則是指令集被固定弗成改變 6.1 职掌單元 (cont’d) 微程式职掌（microprogrammed control）： 將指令加以领会為許众步驟，行使微指令(microcode)來刻画這些動作，指令實際上將會對應到一組微程式。 設計邏輯電道時，厉重針對微指令的效用來加以設計。當指令數量或內容改變時，只须這些新增／變動的指令仍能够透過原来的微程式來加以刻画，只须从头删改微程式，不需求更改邏輯電道。 優點彈性較大 缺點則是執行速率較慢 具有可新增／删改的特征，寻常被儲存正在可重複寫入資料的非揮發性記憶體中，比如：EEPROM或Flash Memory。 6.2 算數邏輯單元(ALU) 算數邏輯單元（Arithmetic and Logic Unit, ALU），執行程式中各類運算的實體單位。 算數運算蕴涵加、減、乘、除等等的數值運算。 邏輯運算則蕴涵AND、OR、NOT、Exclusive OR、Shift（位元平移）、Rotate（位元旋轉）等的邏輯運算。 6.2 算數邏輯單元 (cont’d) AND、OR、NOT邏輯運算子 此三種邏輯運算能够組合出通盘的邏輯運算。个中AND與OR的運算元(operand)有兩個，而NOT的運算元只要一個。 AND邏輯運算只要正在兩個運算元同時為真(true)時，結果才會為线 算數邏輯單元 (cont’d) 範例： 6.2 算數邏輯單元 (cont’d) OR邏輯運算只要正在兩個運算元同時為假(false)時，結果才會為假。 6.2 算數邏輯單元 (cont’d) 範例： 6.2 算數邏輯單元 (cont’d) NOT邏輯運算只要一個運算元，並且會將運算元反相（inverse）做為輸出結果。也便是當輸入為真(true)，結果將為假(false)，當輸入為假(false)，則結果為真(true)。 範例： 6.2 算數邏輯單元 (cont’d) Exclusive OR(XOR)也是常見的運算，大家數的CPU也都供应了XOR運算的指令，缘由是因為設計XOR的邏輯電道非凡簡單且不會耗費過众的資源。 只要正在兩個來源運算元的值分歧時，結果才會為真，所以稱之為Exclusive OR（互斥或）。 6.2 算數邏輯單元 (cont’d) 範例： 6.2 算數邏輯單元 (cont’d) AND、OR、NOT能够組成任何的邏輯型式，以XOR做為範例來加以示範與證明如下线 暫存器(Register) 正在CPU中的記憶體為暫存器(Register) 用來存放要進行運算的資料或運算完畢的資料。 ALU只針對暫存器內的資料運算，並且將結果存放正在暫存器中。 职掌與狀態暫存器(control and status register) 無法被行使者（程式設計人員）更改其內容，正在邏輯電道落成後就已經固定。 供应职掌程式及記錄程式執行狀態之用。 行使者可見暫存器(user visible register) 能够由行使者依据需求來設定內容，以落成程式效用。 6.3 暫存器 (cont’d) 依效用面的角度來說，暫存器又能够分為下列幾種： 指令暫存器(instruction register) 存放近来從記憶體取出的指令。寻常不是目前正正在執行的指令便是下一次也许被執行的指令。 程式計數暫存器(program counter；簡稱PC) 存放下一個準備要被執行的指令正在記憶體中的位址。 ALU緩衝暫存器(ALU buffer register) 暫時存放ALU的運算結果。 記憶體緩衝暫存器(memory buffer register) 暫時存放由記憶體讀出的資料，或CPU準備把資料寫入記憶體之前也會先將資料暫存於此處。 6.3 暫存器 (cont’d) 程式狀態字組(program status word, PSW) 存放條件碼或狀態資訊，寻常字組中的每一個位元都有其特別效用（有些也许保存不消），比如正負符號(Sign)、溢位(Overflow)、遮罩位元(Mask bit)、保護鑰匙(Protected key)、中斷代碼(Interrupt code)、中斷有用／失效职掌(Interrupt enable/disable)、行使者形式／監督形式(user mode/supervisor mode)等等。 中斷向量暫存器(interrupt vector register) 記錄系統的中斷向量。 資料暫存器(data register) 用來存放資料的暫存器。 記憶體位址暫存器(memory address register) 存放準備要存取的主記憶體位址。 6.3 暫存器 (cont’d) 位址暫存器(address register)： 用來存放記憶體位址，但寻常用於某個連續記憶體空間的肇端位址，比如：做為記錄堆疊頂端的指標暫存器(stack pointer register)、做為記錄程式或資料正在記憶體肇端位址的基底暫存器(base register)、做為記錄陣列索引的暫存器(index register)。 條件碼暫存器(condition code register)： 用來存放指令的執行狀態，該狀態將由CPU負責寫入，但程式設計師仍可讀取暫存器內容。 通用暫存器(general purpose register)： 沒有特定用处的暫存器，能够用來存放資料、指令或位址，程式設計師能够善用這些暫存器，加快程式執行的速率。此類暫存器數量越众，CPU的執行功用越高，但本钱也就越高。 6.4 匯流排(Bus) 電腦的各個子系統之間需求相互連接的介面，匯流排便是做為連接電腦各個子系統所需求的元件，它的效用是用來傳送指令、資料或职掌訊號。 內部匯流排的效用是CPU內部元件（比如算數邏輯單元、职掌單元、暫存器等等）的連結。 外部匯流排的效用則是連結CPU與主記憶體、I/O元件。 外部匯流排又能够分為CPU-Memory匯流排（亦稱為Memory Bus）與I/O匯流排（I/O Bus）兩種。前者傳輸速度較速，後者則遷就於I/O裝置，所以傳輸速度較慢。但為了下降本钱，有些電腦的CPU-Memory匯流排與I/O匯流排是统一條。 6.4 匯流排 (cont’d) 匯流排結構是一種資料傳輸線道。 匯流排的設計透過分歧的介面卡插槽或接點，讓众個設備共用好像的傳輸管道。 匯流排的每一個端點都能够正在某個時間內佔據匯流排以傳輸資料 當有裝置正正在行使匯流排時，其他匯流排行使者就必須守候。 6.4 匯流排 (cont’d) 6.4 匯流排 (cont’d) ISA(Industry Standard Architecture；工業標準架構)與EISA(Extended ISA；延迟工業標準架構)： XT的匯流排為8位元 AT（286系統），升高傳輸的速率為16位元，由於首度行使正在AT系統，所以ISA匯流排亦稱之為AT匯流排(AT Bus)。 ISA插槽顏色為玄色，時脈為8MHz，ISA只適适用於低速的介面卡，目前ISA匯流排已經很少行使並且逐漸被PCI匯流排所代替。 1993年，Intel與Microsoft曾配合提出救援隨插即用的新版ISA匯流排規格，稱之為EISA，其最大資料寬度可達32位元，但時脈仍為8MHz。 6.4 匯流排 (cont’d) PCI(Peripheral Component Interconnect)： 由Intel於1993年發展的高速匯流排規格，大凡為白色插槽，是32位元的匯流排，不過也救援64位元CPU所需求的64位元資料傳輸。可行使33或66MHz時脈，正在64位元傳輸時，採用66MHz時脈，傳輸速度能够達到533MBps 6.4 匯流排 (cont’d) 6.4 匯流排 (cont’d) 6.4 匯流排 (cont’d) AGP(Accelerated Graphics Port)： 由Intel為了升高顯示卡的3D繪圖效用所發展的匯流排標準，AGP標準是以PCI標準為基礎所扶植的高效力界面，其功用為PCI的四倍。AGP又分為1x、2x、4x、8x（最新AGP 3.0）等時脈週期，而4x的時脈週期可達266MHz。 具有獨立性，AGP是針對3D繪圖效用所設計，所以3D繪圖卡能够行使獨立插槽與AGP匯流排，而不必和音效卡、SCSI卡、網道卡等共享PCI的頻寬與插槽。 6.4 匯流排 (cont’d) 【CPU相關名詞】 【CPU相關名詞】 【CPU相關名詞】 7 記憶體（Memory） 記憶體能够分為厉重記憶體(main memory)與次要記憶體(secondary memory)，由半導體與磁性元件構成；比如RAM和硬碟。 厉重記憶體（又稱為內部記憶體），目前以半導體元件製成，特征為存取速率速、本钱高。 依据存取特征又能够分為隨機存取記憶體(Random Access Memory, RAM)及唯讀記憶體(Read Only Memory, ROM)。 RAM的本钱較低，可是無法於電力消亡時保留資料，故為揮發性記憶體的一種。 ROM本钱較高，但卻能够正在無電力的狀況下保留資料，屬於非揮發性記憶體的一種。 RAM又能够分為動態隨機存取記憶體(DRAM)與靜態隨機存取記憶體(SRAM)兩種。 7.1 動態隨機存取記憶體(DRAM) DRAM的全名為Dynamic Random Access Memory，寻常充當電腦系統的主記憶體元件。 行使DRAM作為主記憶體時，將能够暫時儲存指令及資料，以供CPU執行程式之用。事實上，通盘準備要執行的程式都必須存放正在主記憶體中，CPU才智夠執行程式。 DRAM無法正在電腦的電源消亡時维持資料，所以，資料若正在電源消亡前，尚未從主記憶體搬移到磁碟中，正在電源消亡後（比如關機或从头開機），將會遺失這些資料。 DRAM從過去到現正在，出現了許众種類，如：Conventional RAM、FRM DRAM、EDO RAM、Burst EDO RAM、SDRAM、DRDRAM、DDR SDRAM等等。 7.1 動態隨機存取記憶體 (cont’d) SDRAM (Synchronous DRAM) 1996年，『Synchronous DRAM；同步動態存取記憶體；簡稱SDRAM』技術被提出。為因應高時脈的CPU，主記憶體必須要改變RAM的非同步性質。 SDRAM最紧急的變化便是『同步』，『同步』代外記憶體的時脈與電腦時脈好像。 SDRAM有众種分歧的速率，以便和系統時鐘同步。有PC66/100/133/150等，搭配主機板的66/100/133/150等外頻。 SDRAM同時透過Interleaving與Bursting技術，加快記憶的讀取速率。 7.1 動態隨機存取記憶體 (cont’d) SDRAM的資料傳輸寬度為64位元，大凡採用DIMM記憶體模組，且分為buffered與unbuffered兩種，职责電壓有3.3及5伏特等規格。但市道上常見的SDRAM則寻常採用unbuffered及3.3伏特電壓的規格，封裝則採用TSOP。 值得留神的是，SDRAM和SRAM齐全分歧，SDRAM仍舊屬於DRAM的架構，所以必須充電，充電則將產生時間延遲的問題。 7.1 動態隨機存取記憶體 (cont’d) 7.1 動態隨機存取記憶體 (cont’d) DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) 184 pin，能夠正在時鐘周期的波峰及波谷傳送資料。DDR是開放標準，並且延續SDRAM的設計，採用TSOP封裝。 規格有四種，分別是DDR-200(又稱PC1600)、DDR-266(又稱PC2100)、DDR-333(又稱PC2700)及DDR-400(又稱PC3200)。 7.2 靜態隨機存取記憶體(SRAM) SRAM(Static Random Access Memory)，靜態隨機存取記憶體。 DRAM儲存每一個位元都必須行使1個電晶體和1個電容，電晶體由於是半導體，所以能够透過電壓／電流的改變外現位元的0與1，而電容則是維持電壓的來源，但由於電容會逐步放電，所以必須充電，DRAM之以是稱之為『動態』，是因為DRAM正在實際上運作時，向来正在重複著充電、放電的過程。假使電源未始中斷，DRAM若不經過充電的過程，个中的資料仍將消亡。 SRAM行使6個電晶體來儲存1個位元，不需求反覆充電（速率較速）。『靜態』，代外的是PP电子，只须電源不中斷，SRAM的資料就不會消亡。由於SRAM行使的電晶體較众，價格較貴，無法製作成大容量的記憶體，所以不适应主記憶體的需求。 SRAM卻非凡適合充當速取記憶體，因為速取記憶體需求更速的傳輸速率，但容量卻不消很大。 7.3 唯讀記憶體(ROM) 唯讀記憶體 (Read Only Memory, ROM )和RAM有著齐全分歧的特征 DRAM或SRAM都無法正在電力消亡時保留資料，都屬於揮發性記憶體。 ROM能够正在無電力的狀況下保留資料。ROM之以是被稱之為『唯讀』，是因為傳統的ROM只可寫入資料一次。由於ROM的本钱也比較高，所以寻常只會把啟動電腦所需求的小程式儲存正在ROM裡面。 現正在的ROM並非齐全無法更新其內的資料，EPROM (Erasable Programmable ROM)、EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM)等都能够更新其內的資料。雖然這些PROM能够重複寫入資料，但本钱仍比大凡的RAM突出許众。 7.3 唯讀記憶體 (cont’d) 7.3 唯讀記憶體 (cont’d) 速閃記憶體(Flash Memory) 目前的BIOS寻常是存放正在速閃記憶體(Flash Memory或Flash ROM)，速閃記憶體是一種固態，不易揮發，并且能够重複寫入的記憶體。由於目前的電腦都救援隨插即用的特征，所以，BIOS的更新頻率也大為增添，而速閃記憶體正在更新資料的過程則比EPROM、EEPROM等容易許众。 8 電腦結構的最新設計 上述的電腦中枢結構是早期的設計基礎，這些基礎照旧沿用至今，但也為了提昇功用而發展了少少新的設計架構，蕴涵『階層式記憶體』、『管線』、『超純量』、『RISC與CISC』等等。 8.1 階層式記憶體（Hierarchical Memory） 記憶體的速率／價格／容量的原則 記憶體只须速率越速，本钱就越高，而容量寻常也就越小。正在本钱的考量下，必須有用地分派各種記憶體，以達到最高功用。 目前大家數的電腦設計，都採用所謂『階層式記憶體』的記憶體装备格式，將『速取記憶體』、『主記憶體』、『硬碟』做階層式装备，達到最佳的本钱效力比。 8.1 階層式記憶體 (cont’d) 8.1 階層式記憶體 (cont’d) 速率越速的記憶體越挨近CPU，若將CPU內的暫存器也當做一個階層的記憶體，則一共有四層。越遠離CPU的記憶體之容量相對越大。 階層式記憶體能够分為兩大个人來討論：『CPU－速取記憶體－主記憶體』、『CPU/速取記憶體－主記憶體－硬碟』。 對於『CPU－速取記憶體－主記憶體』，階層式記憶體之以是能夠有用的提昇電腦的效力，是因為大家數的程式執行時都具有區域性（locality）原則。 時間區域性(temporal-locality)：剛被存取過的東西，正在不久的將來很也许將再被存取。比如：程式中的迴圈。 空間區域性(spatial-locality)：位址左近的東西，會正在短時間內先後被存取。比如：程式中行使陣列資料結構。 8.1 階層式記憶體 (cont’d) 由於區域性原則，能够預測某些東西也许會正在短時間內被存取，所以，將這些東西放正在最火速的記憶體內，將有助於提昇整體功用。 『CPU/速取記憶體－主記憶體－硬碟』而言，厉重是為了升高职责量（throughput），大家數的作業系統都屬於众工式的作業系統，必須同時處理众項职责。CPU不也许同時處理超過一件以上的职责，但卻能够不斷切換职责。比如：能够一边聽音樂，一边上網找資料。 8.1 階層式記憶體 (cont’d) 程式要被執行，必須被就寝正在主記憶體／速取記憶體內，但當职责太众時，主記憶體的容量將也许不夠用，此時就會透過虛擬記憶體(Virtual Memory)技術將硬碟中的某個空間當作是虛擬的記憶體。 置換（swap）：把暫時未執行到的职责放到虛擬記憶體（即硬碟），比及要執行該职责時，再將程式或資料載入到主記憶體中。的职责。 上述兩種技術，必須考量到「哪些東西」將正在不久的將來被行使，這是一個預測的行為。專家們發通晓許众種分歧但功用不錯的的置換步骤，這些步骤將會正在計算機組織與結構及作業系統的書籍與課程中，加以介紹。 速取記憶體的置換步骤是由硬體來职掌，而虛擬記憶體的置換步骤則是由軟體（作業系統）來加以职掌。 8.1 階層式記憶體 (cont’d) 8.2 管線（pipelining） 提昇電腦功用的另一個步骤便是增添系統的职责量(throughput)。 增添指定時間內所落成的指令總量，能夠提昇電腦整體的功用。 工業界常行使的生產線技術能够達到上述恳求。 若每一部汽車需求安裝1000個零件才算落成，先安裝第一台汽車的第1個零件到第1000個零件，然後再安裝第二台汽車的第1個零件到第1000個零件，若每次需求花費100小時，則安裝完10台汽車就需求1000小時。 汽車工廠會將1000個零件分派正在生產線上，同步進行，當第一台汽車正正在安裝第2個零件時，第二台汽車也正正在安裝第1個零件，則安裝完畢10台汽車的時間與安裝完畢1台汽車的時間就相去不遠。 8.2 管線 (cont’d) 執行指令同樣採用管線(pipeline)技術就能够正在指令的執行速率不變時，增添指定時間內所落成的指令總量，若一個指令的執行過程能够分為5個步驟：IF、ID、EX、MEM、WB。若這5個步驟所行使的CPU元件都欠好像，則能够同步進行。 8.2 管線 (cont’d) 管線增速 行使管線技術的電腦系統，能夠供应的增速(speedup)正在理念狀況下，适值等於管線的級數。比如：管線級數為5時，行使管線製作的機器比未行使管線技術製作的機器速5倍。 理念狀況，代外管線內每一級所需求的花費時間皆相当，且每一級皆能够齐全獨立不受他級影響。 每一級需花費10ns，未行使管線落成一個指令需求50ns，而落成100個指令需求5000ns。行使管線技術後，落成100個指令所需求的時間為(100-1)*10+50=1040ns。 8.2 管線 (cont’d) 倘使每一級所需求花費的時間不相当時，行使管線所獲得的增速就沒有那麼理念了，假設指令執行的5個階段分別需求花費10ns、12ns、10ns、15ns、10ns，此時，若念要管線化，就必須以花費最众的那一級（15ns）做為每一級所需求的時間。 正在此階段中，原来未行使管線執行10個指令需求(10+12+10+15+10)*10= 570ns，而行使管線執行10個指令則需求(10-1)*15+75=210ns，增速只要570/210=2.7，所以，要行使管線來增添效力，必須配合指令领会動作的特征。 8.2 管線 (cont’d) 管線危障 行使管線時，除了必須盡量平均每一級所花費的時間外，另一項紧急的考量是『每一級的獨立性』。 當下一個指令無法正在預定的時脈週期中被執行，此種情況稱之為危障(hazard)。 比如管線中的某一個指令适值必須行使尚未落成指令的結果做為來源時，則會發生危障。 ADD指令的R1暫存器須正在WB階段時才會回存正確的新數值，但SUB指令卻正在ID階段就將舊的R1暫存器的資料放入ALU的來源暫存器A之中，此種狀況稱之為資料相依(data dependency)。 危障最簡單的解決格式便是暫停管線一個週期，但這將有損管線的整體效力。另外，專家們還發通晓許众解決各種危障的步骤 8.3 超純量處理器(Superscalar Processor) 管線技術能够增添整體的职责量，但照旧是一次發出一個指令去執行。 倘使念要一次發超群個指令，有也许嗎？ 能够正在處理器中增添元件，當每個元件增添一倍時，就能够一次發出2個指令，依此類推，就酿成了所謂的超純量處理器。 8.3 超純量處理器 (cont’d) 單純的超純量處理器執行指令的格式如下圖所示（假設每一個元件都有兩個） 8.3 超純量處理器 (cont’d) 寻常超純量處理器會搭配管線技術來實作，效力能够大幅提昇。 超純量處理器同樣會遭遇資料相依與圭外相依(procedural dependency)的問題。 8.4 平行處理(Parallel Processing) 平行處理，一台電腦內或整個系統內的CPU不仅一個，每一個CPU都能够獨立執行职责，而記憶體的个人則能够分為兩个人 一部份是装备給每一個CPU私用的記憶體，稱之為当地端記憶體(local memory) 另一部份則是供給通盘CPU行使的公用記憶體，稱之為分享記憶體(share memory)。 平行處理的電腦系統運作時，會將程式割裂為許众片断（稱之為行程），分別交由分歧的CPU來執行，最後再將這些片断的執行結果統合正在一齐，落成整個职责。 最顯著的平行處理系統便是超級電腦，其特征為運用大宗的硬體資源，解決需求大宗計算的职责。 8.4 平行處理 (cont’d) 程式中某些資料變數也许有先後關係，所以也需求一套完善的步骤來加以职掌，保證最後的結果是正確的（這个人的职责寻常交由作業系統來負責）。 8.5 RISC與CISC 分歧CPU的指令集都分歧，而指令集的設計也會影響電腦的執行功用。 RISC (Reduced Instruction Set Computing；精簡指令集) 精簡的意义，代外指令所能落成的职责較少，指令的硬體設計非凡單純，能够行使硬體拉線职掌(hardwired control)來製作。 指令的职责單純，所以能够正在一個時脈週期內就落成。同時，單純的指令易於切割為各個階段，也非凡容易配合管線或超純量技術。 PowerPC、Sun SPARC、IBM RS/6000、等。 8.5 RISC與CISC (cont’d) CISC (Complex Instruction Set Computing；複雜指令集) CISC供应的指令種類及效用非凡众樣且豐富，一個指令就能够落成許众职责。由於供应的指令非凡众，所以寻常採用微程式职掌(microprogrammed control)來製作。 由於指令非凡複雜，當行使管線與超純量技術製作時，很容易發生危障問題。 CISC的機器有Intel x86、Motorola 680x0等等。 同樣效用的程式，行使RISC指令，寻常程式碼會較長，行使CISC指令，程式碼將會精簡許众，但這並不代外CISC機器就會執行的比較速。 RISC的每個指令所需求的執行時間比較短 RISC管線化的危障比較少的緣故 8.5 週邊介面 輸相差單元、次要儲存體單元等單元寻常不會直接筑構正在主機板之上，以是通稱之為『周邊設備』。 8.5 週邊介面 (cont’d) 硬碟职掌卡、軟碟职掌卡、光碟职掌卡 平行埠(Parallel Port) 序列埠(Serial Port) PS/2插槽 8.5 週邊介面 (cont’d) USB(Universal Serial Bus) 萬用序列匯流排，由於硬體週邊越來越众，平行埠與序列埠已經不夠行使。 USB介面並不局限週邊設備的種類，只须該設備救援USB介面即可，比如：USB介面的滑鼠、USB介面的數位相機、USB介面的隨身硬碟、USB介面的燒錄機等等。 USB最众能够串接127個週邊，救援隨插即用與熱插拔的效用，USB有1.1與2.0兩個版本。 USB 1.1的傳輸速度約為12Mbps USB 2.0的傳輸速度可達480Mbps 8.5 週邊介面 (cont’d) IEEE 1394 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配合開發，後來正在1995年被IEEE納入標準。 最众能够串接63個週邊，救援隨插即用與熱插拔的效用。 全名為 IEEE STD 1394-1995，後來被改良為IEEE 1394A與IEEE 1394B IEEE 1394A傳輸速度分為S100(98.3Mbps)、S200(196.6Mbps)、S300(393.2Mbps) IEEE 1394B則可達800Mbps、1.6GBps、3.2Gbps以上，極為驚人。 8.5 週邊介面 (cont’d) 其他擴充插槽 外部匯流排會接到許众介面卡之上，插上介面卡之後，就會出現各種分歧的插槽或插孔。 顯示卡的插槽，有3排15個孔（稱為D-sub），能够插上顯示器的

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