文件类型：PPT/Microsoft Powerpoint 文件大小：字节
Dept. of Computer & Information Science, CMA
中央处理单元(CPU)
程式的执行
记忆体(Memory)
其他架构
电脑与周边通讯
第三章 电脑的系统单元
§中央处理器
CPU
负责系统中资料的运算与逻辑判断及程式执行.
由控制单元,算数逻辑单元及暂存器所组成.
算数逻辑单元 控制单元
暂存器
中央处理单元
主记忆体
汇流排
主要功能
中央处理机(CPU)的主要工作就是抓取指令与执行指令.
五项基本功能
抓取指令:CPU必须具备到记忆体抓取指令的功能.
解译指令:CPU必须看得懂指令以便采取动作.
抓取资料:当CPU执行指令时,必须所有的运算元(operands)皆到齐,因此, 它必须有从I/O设备或记忆体抓取资料的功能.
处理资料:当资料齐备后,CPU必须能处理这些资料,可能是算术运算 (加,减,乘,除),也可能是逻辑运算(AND,OR等).
回存结果:CPU做完算术或逻辑运算后的结果必要时要回存到记忆体或I/O 装置.
控制单元(CU)
控制单元是CPU的心脏,没有它,指令是无法执行的.
控制单元要解读指令的运作码 (op code) ,以了解该指令是要做什麼动作,需要那些运算子,运算子放在那里.
通通搞清楚后,它产生控制讯号 (control signals) 控制计算机内的相关元件做动作,包括控制ALU、暂存器、主记忆体读写、I/O设备读写等等.
控制单元之制作
作法
硬体拉线式 (Hardwired control) .
微程式控制式 (microprogrammed control) .
共通处
都先要将指令集的每一指令逐一分析,并析解每一个指令 (分解动作) ,看它需要那些动作,要用到那些资源,并配上那些控制讯号,一切都分析完毕后 (很费工的) ,才可以选择用哪一种方法制作控制单元.
硬体拉线式
输出有两部份
一部份是控制讯号
另一部份则是显示下一状态为何
下一状态与目前状态及op code有关,而且可用布林函数描述之.
优点
反应速度快
缺点
不易修改或扩充:很难修改原先的逻辑电路.
设计上较复杂,因此会延长控制单元在制作上的时间,当然也就会拉长设计一颗CPU所要花的时间 .
微程式控制 (Microprogrammed Control)
指令的分解动作除了可用有限状态机表示外,也可用微程式(microprogram)来表示,微程式是由一连串的微指令 (microinstruction) 所构成.
微指令的格式可由设计者自定,通常它会包含控制字元 (control word) 及一些关於次一个微指令地址的提示两大部分.
微指令的控制字元类似於指令的op码,控制单元根据控制字元产生相对应的控制讯号.
微程式控制(microprogramed control),其实就是将每个指令相对应的微程式烧在ROM中(叫Control Memory),然后依据某特定顺序执行微指令则可完成指令循环.
所谓"某特定顺序"其实是控制单元有一逻辑电路专门用来产生下一个微指令位址在那里,而它是OP码及前述的"位址提示"的布林函数.
微程式计数器(Microprogram counter)类似於程式计数器(Program counter),它用来记录下一个微指令的位址,将这位址送入控制记忆体,就可取出一个微指令,其中控制字元部份产生控制讯号,而下一位址提示部份,输入到"位址选择逻辑电路"(Address Select Logic),它永远会决定下一位址为何,并输入到微程式计数器,以便抓下一个微指令.
微程式控制的控制记忆体通常是由ROM所构成,为了能达到修改的目的,我们通常选用EEPROM或Flash记忆体.
优点
设计控制单元像在写程式(即微程式),若想改变控制流程(例如原指令集的指令个数,内容改变),我们只需改写微程式并重新烧在ROM中,却不必改变控制单元内的任何电路,非常灵活(flexible).
控制单元的设计与制作变成写程式,通常其设计时间较短,也因此缩短CPU的设计时间.
缺点
完成一个指令循环等於执行一连串微指令,而由微指令的控制字元变成控制讯号需透过解码过程,非常费时较无效率.
微程式控制的方块图
算数逻辑单元(ALU)
电脑机器指令区分:资料传送,算数逻辑和控制三种.
基本上一个处理机(processor)其指令集(instruction set)所含的指令例如整数的加,减,乘,除,浮点数的加,减,乘,除,逻辑运算如AND,OR,SHIFT等,流程控制运算如BRANCH,JUMP等,以及资料的转移,如LOAD,STORE等等都和ALU有关系,只是牵涉程度不同罢了.
基本能力
整数的加,减,乘,除的能力.
执行逻辑运算.
一个32位元的ALU其结构
ALU的方块图
两个运算子分为放在暂存器A与B中,而结果 (result0,result1,…,result31) 就存在暂存器Y中.
乘法与除法通常都是用加法与减法来模拟
若是高效能计算机则会用硬体直接做出乘法器与除法器并合并在ALU中.
乘法架构
除法架构
暂存器(Register)
功能
使用者看得见的暂存器(User - Visible Registers)这种暂存器可提供使用者暂时储存值於其中,以减少CPU到主记忆体存取的频率,进而提升程式执行速度.
控制与状态暂存器(Control and Status Register)这种暂存器会记录程式执行的状态,控制单元可参考其内容以控制CPU的动作,此外作业系统亦可参考这些暂存器的内容以控制程式的执行.
目前的计算机已很难区分这两种不同型态的暂存器.
使用者可见暂存器
通常藉由机器语言(Machine Language)来做存取并使用.
暂存器种类
通用暂存器(General Purpose Registers):存取资料或位址等内容,且不管是什麼指令皆可使用它,如整数暂存器或浮点暂存器.
资料暂存器(Data Registers):用以储存资料与位址,不可挪作它用.
位址暂存器(Address Registers):如指标暂存器(Index Register) 或堆叠指标暂存器(Stack Pointer Register).
条件码暂存器(Condition Code Registers):存放指令执行的状态,它的内容是由CPU填放进取的,其部份内容可让使用者看得见并依据其内容做程式流程的控制.
1.用来控制CPU运作的一种暂存器.
2.使用者都不能更改甚至连读取都不行,它是CPU内部
硬体在执行指令时需要用到的一些私藏暂存器.
控制与状态暂存器
作用
1.用来控制CPU运作的一种暂存器.
2.使用者都不能更改甚至连读取都不行,它是CPU内部硬体在执行指令时需要用到的一些私藏暂存器.
暂存器种类
程式计数器(Program Counter)
指令暂存器 (Instruction Register)
记忆体位址暂存器 (Memory Address Register)
记忆体缓冲暂存器 (Memory Buffer Register)
ALU缓冲暂存器 (ALU Buffer Registers)
程式状态字元 (Program Status Word, PSW)
包含符号 (Sign) ,零 (Zero),进位 (Carry),溢位 (Overflow),中断控制 (Interrupt Enable/Disable)等等
连结路径 (Interconnection Path)
作用
用来连接CPU的元件.
通常我们以汇流排 (Bus) 的方式将元件连接起来,称之为系统汇流排 (System Bus) .
CPU内部可用一条汇流排将内部元件串起来以利资料流通,这是最经济的方式.
但通常都会用两条汇流排,可得到较佳的稳定度以及较易设计.
CPU 常见名词
外频
CPU 外部的工作频率,即CPU存取主记忆体的速度(即系统汇流排频率),目前主流为100,133MHz.
倍频
CPU 核心所使用的频率通常是外频的数倍,这个倍数叫倍频 .
如,Intel Celeron 800是采取外频100MHz,倍频为8倍CPU.
工作频率
CPU工作时所使用频率,就是倍频乘上外频.
CPU 常见名词(续)
封装
CPU 是一个晶片,需要将它包装起来保护,并提供脚座与外界沟通,这种过程就叫封装,如SECC , SECC2 , FC-PGA.
插槽脚座
决定CPU如何放置在主机板的CPU插槽,常见有 Socket 7 , Socket 370 , Slot1 , SlotA , Socket 423等.
快取记忆体(cache memory)
介於CPU与主记忆体之间记忆体,存取速度快,成本高.
快取记忆体又分内部快取(位於CPU内部)与外部快取(位於CPU外部).
§程式的执行
机器语言
程式与电脑沟通介面.
机械指令
运算码(op-code)
运算元(operand)
4 bit
运算码
运算元-12 位元
中央处理单元
暂存器
R0
….
RF
R1
R2
R3
程式计数器
指令暂存器
储存单元
00
….
FF
01
02
03
位址
汇流排
主记忆体
机器循环周期(Machine Cycle)
CPU 执行一个指令的过程.
指令循环包含两部分
抓取循环:指令抓取—CPU根据程式之下一个指令的位址 (通常这位址记录在CPU的程式记录器内 (Program Counter)) 到主记忆体去抓一个指令到CPU.
执行循环:执行指令—当指令被抓到CPU后,中央处理机内的控制单元 (Control Unit) 会依指令的含意发出控制讯号命令计算机相关元件合力完成该指令.
§记忆体
DRAM
主记忆体:储存电脑程式,指令等资料.
SRAM
快取记忆体.
ROM
储存 BIOS.
动态RAM(DRAM):
组成:一位元由一个电晶体及一个电容(电荷存在=1;否=0) 来储存.
充电:周期性充电刷新(refresh).
静态RAM(SRAM):
组成:正反器,六个电晶体储存一位元.
供电:资料保存.
特性:
易失性记忆体.
DRAM 构造简单,体积小,高密度,便宜.
DRAM 需刷新,适合大型记忆体.
SRAM 速度较快,体积大,价格高. .
记忆体的种类
市售的成品称为记忆体模组 (Memory Module), 依接脚数目不同可分为:
168-pin SDRAM
184-pin DDR SDRAM
184-pin Rambus
记忆体的种类(续)
阶层式记忆体
设计的理由
主记忆体的存取速度通常比CPU的执行速度慢很多,不幸地,但是,程式的指令皆放在主记忆体中,每当CPU要执行一个指令,就必需先将指令从主记忆体抓过来,经解码后,执行并完成该指令的要求.
CPU的速度再快,仍受制於主记忆体的存取速度.
无法做出单一记忆体系统满足＂快″,＂大″且＂便宜″的要求,便产生了所谓的阶层式记忆体系统 (Hierarchical Memory System) .
何谓「阶层式记忆体」
由若干不同的记忆装置所组成,而非由单一种记忆装置所构成.
目前的电脑其记忆体系统至少都有三阶层:快取记忆体 (Cache) ,主记忆体 (Main Memory) 及辅助记忆体.
三阶层记忆体可被折开来视为两个二阶层的记忆体,分别是 (M1, M2) 与 (M2, M3) .
M1与M2之间是由硬体 (即高速的逻辑电路或韧体 (Firmware) ) 来做管理如MMU(记忆体管理单元 (MMU,由硬体构成)).
M2与M3之间则是由作业系统中的MMS (软体) 来管理,反应速度较慢,通常 (M2, M3) 这两阶层记忆体系统被称为虚拟记忆体 (Virtual Memory) .
(M1, M2) 与 (M2, M3) 的比较
当代电脑的阶层式记忆体系统
快
慢
不同记忆装置之存取时间与单价比较
§其他架构
精简指令集计算机(RISC)
Reduced Instruction Set Computer
这种处理机其指令集的指令个数不多,指令功能很简单,任何复杂的指令都抛到指令集之外.
这种RISC结构,往往需配合一个厉害的编译器(Compiler),它能有效地将高阶语言转成RISC的机器语言,而且善用CPU所提供的大量暂存器.
复杂指令集计算机(CISC)
Complex Instruction Set Computer
和RISC结构相反
这种机器其指令集的指令复杂且个数多,很多指令要花很长的时间才能完成.
管线(Pipelining)
目的
将一个指令循环拆成若干个不同的步骤,每个步骤设计一个特定元件专门负责固定的工作,并将这些元件排成一条一贯作业生产线(或管线),当某个元件完工时,就将半成品交给下一个元件.
一个指令循环分成五个步骤
IF (指令的抓取,Instruction Fetch)
ID (指令的解码,Instruction Decoding)
EX (执行的执行或算出有效位址,Execution and effective address calculation)
MEM (主记忆体的存取,Memory Access)
WB (结果回存,Write Back) .
传统方法与管线方法示意图
管线的效果
速度提升 = 4000ns/1040ns=3.85倍.
管线的效果
速度提升 = 3000ns/1030ns=2.91倍.
超存量处理器(Superscalar Processor)
而超纯量处理机和向量处理机不同,它只是一颗处理机而且可用来处理纯数.
传统的处理机用来处理纯数(scalar),故又称为纯量处理机.
一种处理机专门处理向量运算,称为向量处理机(vector processor),它由许多处理机所构成.
设计上所面临的问题
资料相依(Data Dependency)
程序相依(Procedural Dependency)
资源冲突(resource conflicts)
应用
PowerPC620—RISC结构并结合超纯量的概念
Pentium—CISC的结构加上较简单的超纯量线路
平行处理(Parallel Processing)
增加工作量的另一种方法是平行处理.
一部电脑里面有多个处理单元,每个处理单元都像是一个CPU,可以独立执行工作.
主记忆体及输入/输出设备则是共用.
设计
程式放在主记忆体
分割成子程式→分由不同CPU处理.
并行处理机系统 (Parallel Processor Systems)
Flynn对并行处理机系统 (Parallel Processor Systems) 的分类
单一指令单一资料 (SISD) 方式:例如传统计算机.
单一指令多重资料 (SIMD) 方式:例如向量处理机.
多重指令单一资料 (MISD) 方式:尚未有产品问世.
多重指令多重资料 (MIMD) 方式:例如多重处理机系统(multiprocessor system) 及分散式系统(multicomputer distribute system).
多重处理机 (Multiprocessor)
定义
具有两个或两个以上功能相等的通用型 (General-purpose) 处理机,这些处理机共用一个主记忆体 (Common Memory) ,有时为提高效率,某些处理机可拥有自己的私用记忆体 (Local Memory) ,它们也共用I/O设备,同时他们受控於一个作业系统.由於所有的处理机皆控制在单一作业系统下,它们之间的关系是很密切的,故我们称多重处理机系统为紧密结合的多重处理机系统 (Tightly Coupled Multiprocessing) .
连接方式
通用汇流排 (Common Bus)
1.这是最廉价且最方便的一种连结方式.
2.方块图
3.缺点
汇流排交通量太大,常常造成阻塞,而影响效能.
多埠主记忆体 (Multiport Memory)
1.允许CPU及I/O直接连到主记忆体,因此造成主记忆体有许多存取埠 (Access port) .
2.方块图
3.优点
有较高的效能,而且允许某些记忆体只能让某些CPU或I/O来使用,如此可以有比较好的安全性与私密性.
4.缺点
比较复杂
中央交换机 (Central Switching Box)
1.方式最复杂,成本最高,却也最灵活.通常用於大型(main-fram)或以上的电脑.
2.方块图
3.具备的功能
资料的安排与管理
资料保护
I/O负载量的平衡
处理机工作量的平衡
分散式系统 ( Distributed System )
将许多电脑连接在一起,每部电脑都有独立运作的能力,甚至有自己的作业系统,它们之间的结合是松散的,故常称为松散结合的多重处理系统( Loosely Coupled Multiprocessing ),也称为多重电脑系统 ( Multicomputer System ).
例子:电脑网路,主从式分散系统 (Client-Server distributed System )等.
连结方式
网路 (一线拉到底 ),环状结构 ( Ring ),树状结构 ( Tree ),长方形状结构 ( Mesh ) 及立方体结构 ( Hypercube )
各种不同连结方式
§电脑与周边通讯
周边
Reduced Instruction Set Computer
与电脑沟通的管道,称之为介面,控制卡,通道或埠.
主机介面扩充槽符合PC99.
介面卡 (Interface Card) 是安装在主机扩充糟上的电子电路板.
常见介面
硬碟控制卡,软碟控制卡,光碟控制卡.
平行埠(LPT):一次可以传送多个位元.
序列埠(RS-232):一次可以传送一个位元,如COM1,COM2.
PS/2:ATX主机通常有两个PS/2插槽.
万用序列汇流排(USB):可串接127个周边,支援随插即用及热抽换,目前USB传输速率为12Mbps.
IEEE 1394:高速序列汇流排,可连接录放影机,DVD放影机,VCR,数位电视等,最多可串接63个周边.
显示卡:一般称为 VGA (Video Graphics Array, 视讯绘图阵列) 卡, 提供影像输出的功能.
中央处理单元(CPU)
程式的执行
记忆体(Memory)
其他架构
电脑与周边通讯
第三章 电脑的系统单元
§中央处理器
CPU
负责系统中资料的运算与逻辑判断及程式执行.
由控制单元,算数逻辑单元及暂存器所组成.
算数逻辑单元 控制单元
暂存器
中央处理单元
主记忆体
汇流排
主要功能
中央处理机(CPU)的主要工作就是抓取指令与执行指令.
五项基本功能
抓取指令:CPU必须具备到记忆体抓取指令的功能.
解译指令:CPU必须看得懂指令以便采取动作.
抓取资料:当CPU执行指令时,必须所有的运算元(operands)皆到齐,因此, 它必须有从I/O设备或记忆体抓取资料的功能.
处理资料:当资料齐备后,CPU必须能处理这些资料,可能是算术运算 (加,减,乘,除),也可能是逻辑运算(AND,OR等).
回存结果:CPU做完算术或逻辑运算后的结果必要时要回存到记忆体或I/O 装置.
控制单元(CU)
控制单元是CPU的心脏,没有它,指令是无法执行的.
控制单元要解读指令的运作码 (op code) ,以了解该指令是要做什麼动作,需要那些运算子,运算子放在那里.
通通搞清楚后,它产生控制讯号 (control signals) 控制计算机内的相关元件做动作,包括控制ALU、暂存器、主记忆体读写、I/O设备读写等等.
控制单元之制作
作法
硬体拉线式 (Hardwired control) .
微程式控制式 (microprogrammed control) .
共通处
都先要将指令集的每一指令逐一分析,并析解每一个指令 (分解动作) ,看它需要那些动作,要用到那些资源,并配上那些控制讯号,一切都分析完毕后 (很费工的) ,才可以选择用哪一种方法制作控制单元.
硬体拉线式
输出有两部份
一部份是控制讯号
另一部份则是显示下一状态为何
下一状态与目前状态及op code有关,而且可用布林函数描述之.
优点
反应速度快
缺点
不易修改或扩充:很难修改原先的逻辑电路.
设计上较复杂,因此会延长控制单元在制作上的时间,当然也就会拉长设计一颗CPU所要花的时间 .
微程式控制 (Microprogrammed Control)
指令的分解动作除了可用有限状态机表示外,也可用微程式(microprogram)来表示,微程式是由一连串的微指令 (microinstruction) 所构成.
微指令的格式可由设计者自定,通常它会包含控制字元 (control word) 及一些关於次一个微指令地址的提示两大部分.
微指令的控制字元类似於指令的op码,控制单元根据控制字元产生相对应的控制讯号.
微程式控制(microprogramed control),其实就是将每个指令相对应的微程式烧在ROM中(叫Control Memory),然后依据某特定顺序执行微指令则可完成指令循环.
所谓"某特定顺序"其实是控制单元有一逻辑电路专门用来产生下一个微指令位址在那里,而它是OP码及前述的"位址提示"的布林函数.
微程式计数器(Microprogram counter)类似於程式计数器(Program counter),它用来记录下一个微指令的位址,将这位址送入控制记忆体,就可取出一个微指令,其中控制字元部份产生控制讯号,而下一位址提示部份,输入到"位址选择逻辑电路"(Address Select Logic),它永远会决定下一位址为何,并输入到微程式计数器,以便抓下一个微指令.
微程式控制的控制记忆体通常是由ROM所构成,为了能达到修改的目的,我们通常选用EEPROM或Flash记忆体.
优点
设计控制单元像在写程式(即微程式),若想改变控制流程(例如原指令集的指令个数,内容改变),我们只需改写微程式并重新烧在ROM中,却不必改变控制单元内的任何电路,非常灵活(flexible).
控制单元的设计与制作变成写程式,通常其设计时间较短,也因此缩短CPU的设计时间.
缺点
完成一个指令循环等於执行一连串微指令,而由微指令的控制字元变成控制讯号需透过解码过程,非常费时较无效率.
微程式控制的方块图
算数逻辑单元(ALU)
电脑机器指令区分:资料传送,算数逻辑和控制三种.
基本上一个处理机(processor)其指令集(instruction set)所含的指令例如整数的加,减,乘,除,浮点数的加,减,乘,除,逻辑运算如AND,OR,SHIFT等,流程控制运算如BRANCH,JUMP等,以及资料的转移,如LOAD,STORE等等都和ALU有关系,只是牵涉程度不同罢了.
基本能力
整数的加,减,乘,除的能力.
执行逻辑运算.
一个32位元的ALU其结构
ALU的方块图
两个运算子分为放在暂存器A与B中,而结果 (result0,result1,…,result31) 就存在暂存器Y中.
乘法与除法通常都是用加法与减法来模拟
若是高效能计算机则会用硬体直接做出乘法器与除法器并合并在ALU中.
乘法架构
除法架构
暂存器(Register)
功能
使用者看得见的暂存器(User - Visible Registers)这种暂存器可提供使用者暂时储存值於其中,以减少CPU到主记忆体存取的频率,进而提升程式执行速度.
控制与状态暂存器(Control and Status Register)这种暂存器会记录程式执行的状态,控制单元可参考其内容以控制CPU的动作,此外作业系统亦可参考这些暂存器的内容以控制程式的执行.
目前的计算机已很难区分这两种不同型态的暂存器.
使用者可见暂存器
通常藉由机器语言(Machine Language)来做存取并使用.
暂存器种类
通用暂存器(General Purpose Registers):存取资料或位址等内容,且不管是什麼指令皆可使用它,如整数暂存器或浮点暂存器.
资料暂存器(Data Registers):用以储存资料与位址,不可挪作它用.
位址暂存器(Address Registers):如指标暂存器(Index Register) 或堆叠指标暂存器(Stack Pointer Register).
条件码暂存器(Condition Code Registers):存放指令执行的状态,它的内容是由CPU填放进取的,其部份内容可让使用者看得见并依据其内容做程式流程的控制.
1.用来控制CPU运作的一种暂存器.
2.使用者都不能更改甚至连读取都不行,它是CPU内部
硬体在执行指令时需要用到的一些私藏暂存器.
控制与状态暂存器
作用
1.用来控制CPU运作的一种暂存器.
2.使用者都不能更改甚至连读取都不行,它是CPU内部硬体在执行指令时需要用到的一些私藏暂存器.
暂存器种类
程式计数器(Program Counter)
指令暂存器 (Instruction Register)
记忆体位址暂存器 (Memory Address Register)
记忆体缓冲暂存器 (Memory Buffer Register)
ALU缓冲暂存器 (ALU Buffer Registers)
程式状态字元 (Program Status Word, PSW)
包含符号 (Sign) ,零 (Zero),进位 (Carry),溢位 (Overflow),中断控制 (Interrupt Enable/Disable)等等
连结路径 (Interconnection Path)
作用
用来连接CPU的元件.
通常我们以汇流排 (Bus) 的方式将元件连接起来,称之为系统汇流排 (System Bus) .
CPU内部可用一条汇流排将内部元件串起来以利资料流通,这是最经济的方式.
但通常都会用两条汇流排,可得到较佳的稳定度以及较易设计.
CPU 常见名词
外频
CPU 外部的工作频率,即CPU存取主记忆体的速度(即系统汇流排频率),目前主流为100,133MHz.
倍频
CPU 核心所使用的频率通常是外频的数倍,这个倍数叫倍频 .
如,Intel Celeron 800是采取外频100MHz,倍频为8倍CPU.
工作频率
CPU工作时所使用频率,就是倍频乘上外频.
CPU 常见名词(续)
封装
CPU 是一个晶片,需要将它包装起来保护,并提供脚座与外界沟通,这种过程就叫封装,如SECC , SECC2 , FC-PGA.
插槽脚座
决定CPU如何放置在主机板的CPU插槽,常见有 Socket 7 , Socket 370 , Slot1 , SlotA , Socket 423等.
快取记忆体(cache memory)
介於CPU与主记忆体之间记忆体,存取速度快,成本高.
快取记忆体又分内部快取(位於CPU内部)与外部快取(位於CPU外部).
§程式的执行
机器语言
程式与电脑沟通介面.
机械指令
运算码(op-code)
运算元(operand)
4 bit
运算码
运算元-12 位元
中央处理单元
暂存器
R0
….
RF
R1
R2
R3
程式计数器
指令暂存器
储存单元
00
….
FF
01
02
03
位址
汇流排
主记忆体
机器循环周期(Machine Cycle)
CPU 执行一个指令的过程.
指令循环包含两部分
抓取循环:指令抓取—CPU根据程式之下一个指令的位址 (通常这位址记录在CPU的程式记录器内 (Program Counter)) 到主记忆体去抓一个指令到CPU.
执行循环:执行指令—当指令被抓到CPU后,中央处理机内的控制单元 (Control Unit) 会依指令的含意发出控制讯号命令计算机相关元件合力完成该指令.
§记忆体
DRAM
主记忆体:储存电脑程式,指令等资料.
SRAM
快取记忆体.
ROM
储存 BIOS.
动态RAM(DRAM):
组成:一位元由一个电晶体及一个电容(电荷存在=1;否=0) 来储存.
充电:周期性充电刷新(refresh).
静态RAM(SRAM):
组成:正反器,六个电晶体储存一位元.
供电:资料保存.
特性:
易失性记忆体.
DRAM 构造简单,体积小,高密度,便宜.
DRAM 需刷新,适合大型记忆体.
SRAM 速度较快,体积大,价格高. .
记忆体的种类
市售的成品称为记忆体模组 (Memory Module), 依接脚数目不同可分为:
168-pin SDRAM
184-pin DDR SDRAM
184-pin Rambus
记忆体的种类(续)
阶层式记忆体
设计的理由
主记忆体的存取速度通常比CPU的执行速度慢很多,不幸地,但是,程式的指令皆放在主记忆体中,每当CPU要执行一个指令,就必需先将指令从主记忆体抓过来,经解码后,执行并完成该指令的要求.
CPU的速度再快,仍受制於主记忆体的存取速度.
无法做出单一记忆体系统满足＂快″,＂大″且＂便宜″的要求,便产生了所谓的阶层式记忆体系统 (Hierarchical Memory System) .
何谓「阶层式记忆体」
由若干不同的记忆装置所组成,而非由单一种记忆装置所构成.
目前的电脑其记忆体系统至少都有三阶层:快取记忆体 (Cache) ,主记忆体 (Main Memory) 及辅助记忆体.
三阶层记忆体可被折开来视为两个二阶层的记忆体,分别是 (M1, M2) 与 (M2, M3) .
M1与M2之间是由硬体 (即高速的逻辑电路或韧体 (Firmware) ) 来做管理如MMU(记忆体管理单元 (MMU,由硬体构成)).
M2与M3之间则是由作业系统中的MMS (软体) 来管理,反应速度较慢,通常 (M2, M3) 这两阶层记忆体系统被称为虚拟记忆体 (Virtual Memory) .
(M1, M2) 与 (M2, M3) 的比较
当代电脑的阶层式记忆体系统
快
慢
不同记忆装置之存取时间与单价比较
§其他架构
精简指令集计算机(RISC)
Reduced Instruction Set Computer
这种处理机其指令集的指令个数不多,指令功能很简单,任何复杂的指令都抛到指令集之外.
这种RISC结构,往往需配合一个厉害的编译器(Compiler),它能有效地将高阶语言转成RISC的机器语言,而且善用CPU所提供的大量暂存器.
复杂指令集计算机(CISC)
Complex Instruction Set Computer
和RISC结构相反
这种机器其指令集的指令复杂且个数多,很多指令要花很长的时间才能完成.
管线(Pipelining)
目的
将一个指令循环拆成若干个不同的步骤,每个步骤设计一个特定元件专门负责固定的工作,并将这些元件排成一条一贯作业生产线(或管线),当某个元件完工时,就将半成品交给下一个元件.
一个指令循环分成五个步骤
IF (指令的抓取,Instruction Fetch)
ID (指令的解码,Instruction Decoding)
EX (执行的执行或算出有效位址,Execution and effective address calculation)
MEM (主记忆体的存取,Memory Access)
WB (结果回存,Write Back) .
传统方法与管线方法示意图
管线的效果
速度提升 = 4000ns/1040ns=3.85倍.
管线的效果
速度提升 = 3000ns/1030ns=2.91倍.
超存量处理器(Superscalar Processor)
而超纯量处理机和向量处理机不同,它只是一颗处理机而且可用来处理纯数.
传统的处理机用来处理纯数(scalar),故又称为纯量处理机.
一种处理机专门处理向量运算,称为向量处理机(vector processor),它由许多处理机所构成.
设计上所面临的问题
资料相依(Data Dependency)
程序相依(Procedural Dependency)
资源冲突(resource conflicts)
应用
PowerPC620—RISC结构并结合超纯量的概念
Pentium—CISC的结构加上较简单的超纯量线路
平行处理(Parallel Processing)
增加工作量的另一种方法是平行处理.
一部电脑里面有多个处理单元,每个处理单元都像是一个CPU,可以独立执行工作.
主记忆体及输入/输出设备则是共用.
设计
程式放在主记忆体
分割成子程式→分由不同CPU处理.
并行处理机系统 (Parallel Processor Systems)
Flynn对并行处理机系统 (Parallel Processor Systems) 的分类
单一指令单一资料 (SISD) 方式:例如传统计算机.
单一指令多重资料 (SIMD) 方式:例如向量处理机.
多重指令单一资料 (MISD) 方式:尚未有产品问世.
多重指令多重资料 (MIMD) 方式:例如多重处理机系统(multiprocessor system) 及分散式系统(multicomputer distribute system).
多重处理机 (Multiprocessor)
定义
具有两个或两个以上功能相等的通用型 (General-purpose) 处理机,这些处理机共用一个主记忆体 (Common Memory) ,有时为提高效率,某些处理机可拥有自己的私用记忆体 (Local Memory) ,它们也共用I/O设备,同时他们受控於一个作业系统.由於所有的处理机皆控制在单一作业系统下,它们之间的关系是很密切的,故我们称多重处理机系统为紧密结合的多重处理机系统 (Tightly Coupled Multiprocessing) .
连接方式
通用汇流排 (Common Bus)
1.这是最廉价且最方便的一种连结方式.
2.方块图
3.缺点
汇流排交通量太大,常常造成阻塞,而影响效能.
多埠主记忆体 (Multiport Memory)
1.允许CPU及I/O直接连到主记忆体,因此造成主记忆体有许多存取埠 (Access port) .
2.方块图
3.优点
有较高的效能,而且允许某些记忆体只能让某些CPU或I/O来使用,如此可以有比较好的安全性与私密性.
4.缺点
比较复杂
中央交换机 (Central Switching Box)
1.方式最复杂,成本最高,却也最灵活.通常用於大型(main-fram)或以上的电脑.
2.方块图
3.具备的功能
资料的安排与管理
资料保护
I/O负载量的平衡
处理机工作量的平衡
分散式系统 ( Distributed System )
将许多电脑连接在一起,每部电脑都有独立运作的能力,甚至有自己的作业系统,它们之间的结合是松散的,故常称为松散结合的多重处理系统( Loosely Coupled Multiprocessing ),也称为多重电脑系统 ( Multicomputer System ).
例子:电脑网路,主从式分散系统 (Client-Server distributed System )等.
连结方式
网路 (一线拉到底 ),环状结构 ( Ring ),树状结构 ( Tree ),长方形状结构 ( Mesh ) 及立方体结构 ( Hypercube )
各种不同连结方式
§电脑与周边通讯
周边
Reduced Instruction Set Computer
与电脑沟通的管道,称之为介面,控制卡,通道或埠.
主机介面扩充槽符合PC99.
介面卡 (Interface Card) 是安装在主机扩充糟上的电子电路板.
常见介面
硬碟控制卡,软碟控制卡,光碟控制卡.
平行埠(LPT):一次可以传送多个位元.
序列埠(RS-232):一次可以传送一个位元,如COM1,COM2.
PS/2:ATX主机通常有两个PS/2插槽.
万用序列汇流排(USB):可串接127个周边,支援随插即用及热抽换,目前USB传输速率为12Mbps.
IEEE 1394:高速序列汇流排,可连接录放影机,DVD放影机,VCR,数位电视等,最多可串接63个周边.
显示卡:一般称为 VGA (Video Graphics Array, 视讯绘图阵列) 卡, 提供影像输出的功能.
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