1、國立清華大學資訊工程學系資訊工程系 http:/www.cs.nthu.edu.tw/電腦內部是怎麼運作的2009/09/29P-1國立清華大學資訊工程學系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 2009/09/292國立清華大學資訊工程學系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 (Memory)輸出單元 (Output U
2、nit)2009/09/293國立清華大學資訊工程學系ALU unitCU unit MemoryInput unitOutput unit電腦的五大單元2009/09/294國立清華大學資訊工程學系CPUCentral 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)2009/09/295國立清華大學資訊工程學系控制單元 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20
3、09/09/296國立清華大學資訊工程學系算術邏輯單元ALU (Arithmetic / Logic Unit)負責執行算術運算動作負責執行邏輯運算動作2009/09/297國立清華大學資訊工程學系算術運算加法 (ADD)減法 (SUB)乘法 (MUL)除法 (DIV)2009/09/298國立清華大學資訊工程學系算術運算的例子算術運算(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)就放在暫存器Y中例如:4+2=62009/09/299國立清華大學資訊工程學系邏輯運算評估條件值進行
4、比較可以比較數字字母特別字元2009/09/2910國立清華大學資訊工程學系邏輯運算 (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=02009/09/2911國立清華大學資訊工程學系真值表 Truth tableABA and BNot AA or BTTTFTFTFTTTFFFTFFFTF2009/09/2912國立清華大學資訊工程學系暫存器各有特殊的用途速度快是個暫時存放的
5、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2009/09/2913國立清華大學資訊工程學系Instruction Cycle一個指令通常分成四步驟來執行1.擷取2.解碼3.執行4.儲存結果5.(1)(2)稱為I-time cycle(3)(4) 稱為E-time cycle2009/09/2914國立清華大學資訊工程學系執行指令流程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2009/09/2915國立清華大學資訊工程學系I-timeCU 從記憶體中擷取 (fe
6、tch)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2009/09/2916國立清華大學資訊工程學系E-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2009/09/2917國立清華大學資訊工程學系電腦系統5 大部分ALU unitCU unitMemory 介紹Input unitOutput unit2009/09/2918國立清華大學資訊工程學系儲存體容量的測量單位KB kilobyte1024 (210)個位元組
7、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 2009/09/2919國立清華大學資訊工程學系例如512M RAM 表示 此RAM 可儲存512*220 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 byte2009/09/2920國立清華大學資訊工程學系在記憶體中尋找資料
8、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2009/09/2921國立清華大學資訊工程學系記憶體(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 memory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 memory2009/09/
9、2922國立清華大學資訊工程學系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速度記憶體快CPUCacheMain memorySecondary memory2009/09/2923國立清華大學資訊工程學系快取 (Cache memory)第 1 步處理器要求擷取資料或指令第 2 步到主記憶體中的該位址去讀取第 3 步傳送到 CPU 和快取中
10、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 處理器RAM快取2009/09/2924國立清華大學資訊工程學系CPUCacheMain memorySecondary memoryregisterCacheMain memorySecondary memoryCPU暫存器(Register)2009/09/2925國立清華大學資訊工程學系暫存器(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2009/09/2926國立清華大學資訊工程學系隨機存取記憶體(RA
11、M) (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2009/09/2927國立清華大學資訊工程學系 Main memory分類2009/09/2928國立清華大學資訊工程學系有 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SRAMRAM2009/09/2929國立清華大學資訊工程學系RAM 的種類SRAM只要有電
12、力，儲存內容就會依舊存在速度比 DRAM 快用在 Cache memory2009/09/2930國立清華大學資訊工程學系DRAM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 快價格較貴DDR, DDR IIRAM 的種類的種類2009/09/2931國立清華大學資訊工程學系RAM 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2009/09/2932國立清華大學資訊工程學系ROMRead Only Memory非揮發性 (Non-volatile)負責開機的指令裡面
13、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2009/09/2933國立清華大學資訊工程學系EPROM /EEPROM EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) 利用高壓將資料寫入抹除時將線路曝光於紫外線下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2009/09/2934國立清華大學資訊工程學系Flash memory快閃
14、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PDA2009/09/2935國立清華大學資訊工程學系Basic Input/Output System 功能功能載入作業系統：從儲存裝置中載入載入作業系統：從儲存裝置中載入作業系統作業系統到到隨機存取記憶體隨機存取記憶體。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：檢查開機自我測試：檢查中央處理器中央處理器 (CPU) 及各及各控制器之
15、狀態是否正常。控制器之狀態是否正常。 BIOS 簡介2009/09/2936國立清華大學資訊工程學系目前主機板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 2009/09/2937國立清華大學資訊工程學系 代表甚麼意思呢?INTEL Core i7 920 2.66GHz 2009/09/2938國立清華大學資訊工程學系系統時鐘(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2009/09/29
16、39國立清華大學資訊工程學系INTEL 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clock2009/09/2940國立清華大學資訊工程學系何謂效能反應時間(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.CPU效能的評估兩個常用指標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2009/09/2941國立清華大學資訊工程學系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)2009/09/2942國立清華大學資訊工程學系Review(p.14)一個指令通常分成四步驟來執行1.擷取2.解碼3.執行4.儲存結果擷取擷取 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32009/09/2943國立清華大學資訊工程學系3*(10+5+8+7)=90 ns採用管線(pipelining)技
