新世代計算機概論第三版第3章　電腦的系統(tǒng)單元

新世代計算機概論第三版第3章電腦的系統(tǒng)單元３-1系統(tǒng)單元

電腦的系統(tǒng)單元(systemunit)包含中央處理器(CPU)與主記憶體兩個部分。機殼內(nèi)的元件：主機板(motherboard)電源供應器(powersupply)散熱風扇(coolingfan)固定架(drivebay)連接埠(ports)3-2中央處理器(CPU)

CPU負責算術(shù)運算、邏輯運算與程式執(zhí)行，又稱為「微處理器」(microprocessor)或「處理器」(processor)。CPU是由控制單元、算術(shù)邏輯單元及部分的記憶體單元(暫存器)所組成。3-2-1控制單元(CU)

控制單元(controlunit)是負責控制資料流向與指令流向的電路，它可以讀取並解譯指令，然後產(chǎn)生訊號控制算術(shù)邏輯單元、暫存器等CPU內(nèi)部的元件來完成工作?？刂茊卧难u作方式有下列兩種：硬體線路控制(hardwiredcontrol)微程式控制(microprogrammedcontrol)

3-2-2算術(shù)邏輯單元(ALU)

算術(shù)邏輯單元(arithmetic/logicunit)是負責算術(shù)運算與邏輯運算的電路。電腦的機器指令有下列三種類型：資料傳送類型算術(shù)邏輯類型控制類型3-2-3暫存器

暫存器(register)是位於CPU內(nèi)部的記憶體，用來暫時存放目前正在進行運算的資料或目前正好運算完畢的資料。要注意的是暫存器和主記憶體不同，暫存器位於CPU內(nèi)部，主記憶體位於CPU外部，中間透過匯流排來存取，匯流排(bus)是主機板上面的鍍銅電路，負責傳送電腦內(nèi)部的電子訊號。暫存器通常分成兩大類，其一是程式設計人員能夠存取的可見暫存器，其二是程式設計人員無法存取的控制與狀態(tài)暫存器?？梢姇捍嫫饔址殖上铝袔追N：通用暫存器(generalpurposeregister)資料暫存器(dataregister)位址暫存器(addressregister)條件碼暫存器(conditioncoderegister)控制與狀態(tài)暫存器又分成下列幾種：程式計數(shù)器(programcounter)指令暫存器(instructionregister)記憶體位址暫存器(memoryaddressregister)記憶體緩衝暫存器(memorybufferregister)ALU緩衝暫存器(ALUbufferregister)中斷向量暫存器(interruptvectorregister)程式狀態(tài)字組(programstatusword)3-2-4電腦的效能

反應時間(responsetime)是一個工作從開始做到結(jié)束所花費的時間工作量(throughput)是在固定時間內(nèi)所能完成的工作CPU時間(CPUtime)是CPU執(zhí)行一個程式所花費的時間，不包括等待輸入/輸出或執(zhí)行其它程式的時間CPU時脈週期(CPUclockcycle)是CPU執(zhí)行一個程式所花費的時脈週期

CPU時間=CPU時脈週期*時脈週期時間時脈(clock)是電腦內(nèi)部一個類似時鐘的裝置，它每計數(shù)一次，稱為一個時脈週期(clockcycle)，電腦就可以完成少量工作。時脈速度(clockrate)指的是時脈計數(shù)的速度，單位為MHz(百萬赫茲)或GHz(十億赫茲)，也就是每秒鐘幾百萬次或每秒鐘幾十億次，而時脈每計數(shù)一次所經(jīng)過的時間稱為時脈週期時間(clockcycletime)。電腦的效能取決於時脈速度、CPI和指令數(shù)目等因素。除了MHz、GHz之外，電腦的速度也可以使用MIPS、MFLOPS、TPS來描述：MIPS

意指每秒鐘可以完成幾百萬個指令，適用於PC、工作站或大型主機。MFLOPS意指每秒鐘可以完成幾百萬個浮點數(shù)運算，適用於需要大量浮點數(shù)運算的機器(例如超級電腦)。TPS意指每秒鐘可以完成幾個交易，適用於商業(yè)交易機器。3-2-5

CPU相關(guān)規(guī)格

外頻：CPU外部的工作頻率，也就是CPU存取主記憶體的速度，單位為MHz。倍頻：CPU核心所採用的頻率通常是外頻的倍數(shù)，而這個倍數(shù)就叫做倍頻。內(nèi)頻：內(nèi)頻是CPU工作時所採用的頻率(工作頻率)，也就是倍頻乘上外頻。封裝：CPU其實是一個晶片(chip)，需要將它包裝起來以玆保護，並提供腳座與外界溝通，這個包裝的過程就叫做封裝。封裝方式有很多種，例如DIP、PGA、FC-PGA、SECC、LGA。插槽腳位：插槽腳位決定了CPU如何安插在主機板的CPU插槽，不同的腳位有不同的插槽，針腳數(shù)目各異?？烊∮洃涹w：快取記憶體是介於CPU與主記憶體之間的記憶體，存取速度較快，成本也較高，又分為二至三種層次，稱為L1快取、L2快取、L3快取。匯流排寬度匯流排(bus)是主機板上面的鍍銅電路。匯流排決定了電腦一次可以同時傳送多少位元，電路愈多，匯流排寬度(buswidth)愈大，傳送速度愈快。字組大小：字組大小(wordsize)是CPU在固定時間內(nèi)能夠解譯並執(zhí)行多少位元，所謂8、16、32或64位元CPU指的就是一次最多可以處理8、16、32或64位元的CPU。相容性：由於不同的CPU各有唯一的指令集，因此，廠商在推出新的CPU晶片之前，必須考慮相容性(compatibility)，特別是新的晶片能否與舊的晶片具有向下相容性。3-2-6機器語言

機器語言(machinelanguage)是程式與電腦溝通的介面，定義了程式可以使用的指令與編碼方式。機器指令(machineinstruction)的編碼方式通常包含運算碼(op-code)和運算元(operand)兩個部分，其中運算碼是這個指令所要進行的運算，運算元是這個指令進行運算的對象。運算碼運算元說明1RXYLOAD指令，將主記憶體位址XY的資料載入暫存器R2RXYSTORE指令，將暫存器R的資料儲存到主記憶體位址XY3RSTADD指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料相加，再將結(jié)果儲存到暫存器R4RSTOR指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行OR運算，再將結(jié)果儲存到暫存器R5RSTAND指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行AND運算，再將結(jié)果儲存到暫存器R6RSTXOR指令，將暫存器S的資料與暫存器T的資料進行XOR運算，再將結(jié)果儲存到暫存器R7RXYJUMP指令，若暫存器R的資料與暫存器R0的資料相同，就跳到主記憶體位址XY去執(zhí)行，否則依序執(zhí)行8000HALT指令，使程式暫時停止執(zhí)行，例如機器指令8000是將程式暫停11BA (將主記憶體位址BA的資料載入暫存器R1)12BB (將主記憶體位址BB的資料載入暫存器R2)3312 (將暫存器R1的資料與暫存器R2的資料相加，

再將結(jié)果儲存到暫存器R3)23B0 (將暫存器R3的資料儲存到主記憶體位址B0)10B0 (將主記憶體位址B0的資料載入暫存器R0)73FF (若暫存器R3的資料與暫存器R0的資料相同，

就跳到主記憶體位址FF去執(zhí)行，否則依序執(zhí)行)3-2-7機器循環(huán)週期

CPU執(zhí)行一個指令的過程叫做機器循環(huán)週期(machinecycle)，包含下列四個步驟：指令擷取指令解碼指令執(zhí)行結(jié)果存回3-3

CPU的設計架構(gòu)與技術(shù)

3-3-1

CISCV.S.RISCRISC所提供的指令較為精簡，每個指令的執(zhí)行時間都很短，完成的動作也很單純，若要做複雜的事情，就要由多個指令來完成。CISC則提供了豐富的指令，每個指令的執(zhí)行時間較長，能夠完成的動作也較複雜。3-3-2管線

3-3-3超純量處理器

3-3-4平行處理

平行處理是一部電腦裡面有多個處理器，每個處理器都像一個CPU，可以獨立執(zhí)行工作，至於主記憶體及輸入/輸出裝置則是共用。3-4記憶體

3-4-1記憶體的種類記憶體有RAM(隨機存取記憶體)與ROM(唯讀記憶體)兩種。RAM又分成下列兩種：DRAM(dynamicRAM，動態(tài)隨機存取記憶體)SRAM(staticRAM，靜態(tài)隨機存取記憶體)ROM又分成下列三種：PROM(programmableROM)EPROM(erasablePROM)EEPROM(electronicallyEPROM)3-4-2記憶體的階層

暫存器(register)快取記憶體(cachememory)主記憶體(mainmemory)3-4-3主記憶體的定址方式

主記憶體是由許多記憶體單元(cell)所組成，不同機器可能有不同數(shù)目的記憶體單元，而且記憶體單元的大小也不盡相同。為了加以辨識，每個記憶體單元都有唯一的位址(address)，同時這些位址是從0開始，依照順序編號。3-5電腦與週邊通訊

電腦內(nèi)部的電子訊號是由匯流排進行傳送，由下列三組電路所組成：資料線(dataline)位址線(addressline)控制線(controlline)匯流排又分為下列兩種：系統(tǒng)匯流排擴充匯流排PC常見的擴充匯流排：ISAMCAEISAVLPCIAGPPCIExpress硬碟控制介面、軟碟控制介面、光碟控制介面PS/2埠序列埠平行埠USBIEEE1394紅外線傳輸埠(IrDA)其它擴充插槽3-6輸入/輸出的定址方式

3-6-1隔離I/O

在隔離I/O(isolatedI/O)中，每個週邊均有唯一的位址，但這些位址卻可能和主記憶體的記憶體單元重複，為了避免混淆，於是得設計兩組不同的指令來進行主記憶體的讀寫及週邊的讀寫