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1、中央處理器 (CPU)電腦內(nèi)部是怎麼運(yùn)作的第四章 n講解中央處理器的各個(gè)組成元件，說明他們彼此間如何運(yùn)作以及與記憶體的溝通n描述電腦如何執(zhí)行程式指令n解釋電腦如何表示資料n描述電腦如何找到指令和資料n講解微電腦系統(tǒng)單元上的主機(jī)板的各個(gè)元件n明瞭電腦處理速度的計(jì)量方式以及增加速度的方法 n將資料轉(zhuǎn)換成資訊n控制中心n執(zhí)行儲(chǔ)存在記憶體中程式指令的一組電路n分成兩個(gè)主要部分控制單元 (CU)算術(shù)邏輯單元 (ALU) n硬體的一部分，負(fù)責(zé)控制n指示電腦系統(tǒng)執(zhí)行程式指令n負(fù)責(zé)與硬體其它部分的溝通 負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算動(dòng)作負(fù)責(zé)執(zhí)行邏輯運(yùn)算動(dòng)作 加法減法乘法除法 n評(píng)估條件值n進(jìn)行比較n可以比較數(shù)字字母特別字元
2、 各有特殊的用途速度快是個(gè)暫時(shí)存放的地方 位於 CPU 中指令暫存器儲(chǔ)存目前正在執(zhí)行的指令資料暫存器儲(chǔ)存正等著被處理的資料儲(chǔ)存處理過後的結(jié)果 n輔助儲(chǔ)存體儲(chǔ)存以後要用到的資料長(zhǎng)期儲(chǔ)存n記憶體儲(chǔ)存最近要使用的資料暫時(shí)儲(chǔ)存存取速度比輔助儲(chǔ)存體快n暫存器儲(chǔ)存與目前正在執(zhí)行的指令立即相關(guān)的資料存取速度記憶體快 儲(chǔ)存體容量的測(cè)量單位KB kilobyte 1024 個(gè)位元組有些磁片快取記憶體MB megabyte約百萬個(gè)位元組 RAM GB gigabyte約十億個(gè)位元組硬碟 CD 和 DVDTB terabytes約一兆個(gè)位元組大型硬碟 主要儲(chǔ)存體 (primary storage)Primary m
3、emoryMain storageInternal storage主記憶體 (Main memory) n需要電流才能保持資料n揮發(fā)性 (Volatile)n可以讀取及修改裡面的指令和資料n使用者通常是指這種記憶體 n作業(yè)系統(tǒng)n目前正在執(zhí)行中的程式n上述程式需要的資料n等著要輸出的中間結(jié)果 n非揮發(fā)性 (Non-volatile)n負(fù)責(zé)開機(jī)的指令n裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改n這些指令通常是在工廠裡燒錄進(jìn)去的 n CU 擷取指令放進(jìn)記憶體中n CU 將此指令解碼 n CU 通知硬體相關(guān)部分準(zhǔn)備採(cǎi)取行動(dòng)n將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到硬體的相關(guān)部分n執(zhí)行工作n控制權(quán)回到 CU I-timen CU 從記
4、憶體中擷取 (fetch)指令，然後放進(jìn)暫存器中n 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 E-timen執(zhí)行CU 將資料從記憶體搬移到 ALU 內(nèi)的暫存器中由 ALU 負(fù)責(zé)控制與執(zhí)行指令控制權(quán)回到 CUn CU 將運(yùn)算後的結(jié)果存放在記憶體或暫存器中 n系統(tǒng)時(shí)鐘以固定的速率製造脈波n每個(gè)脈波就是一個(gè)機(jī)器循環(huán)週期n一個(gè)程式指令可能是由一串給 CPU 的小指令所組成n每一個(gè) CPU 指令至少必須要花一個(gè)脈波才能完成n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 n記憶體中的每個(gè)位置都會(huì)被標(biāo)示一個(gè)獨(dú)一無二的位址 (address)位址不會(huì)改變內(nèi)容可
5、能會(huì)改變n每個(gè)記憶體位置可以保存一條指令或一個(gè)資料n程式設(shè)計(jì)師會(huì)使用符號(hào)位址 使用二進(jìn)位系統(tǒng)來表示電路的狀態(tài) n位元 (BIT)Binary DigIT電路開或關(guān) (On/off)1 或 0n位元組 (BYTE)8 個(gè) bit每一個(gè)位元組可儲(chǔ)存一個(gè)字元n字組 (WORD)暫存器的大小CPU在處理時(shí)當(dāng)做一個(gè)單位的位元個(gè)數(shù) n ASCII使用一個(gè)包含8個(gè)位元的位元組 28 = 256 種可能的組合或字元用在幾乎所有的 PC 和許多較大型的電腦n EBCDIC使用一個(gè)包含8個(gè)位元的位元組 28 =256種可能的組合或字元主要用在 IBM 相容的大型主機(jī)n Unicode使用兩個(gè)包含8個(gè)位元的位元組
6、(16 個(gè)位元) 2 16 = 65,536 種可能的組合或字元可支援世界上所有語言所需要的字與 ASCII 回溯相容 n放置電腦元件主機(jī)板 儲(chǔ)存設(shè)備連線n有些Apple Macintosh電腦則是把系統(tǒng)單元放在螢?zāi)煌鈿ぱe 主機(jī)板包含n微處理器晶片n記憶體晶片n與其它硬體部分的連線n其它可能加入的晶片 如數(shù)學(xué)輔助處理器 儲(chǔ)存設(shè)備硬碟機(jī)軟碟機(jī)CD-ROM 光碟機(jī)DVD-ROM光碟機(jī) n CPU 是蝕刻在一個(gè)晶片上n晶片大小是 x 吋n由矽元素組成n包含數(shù)百萬個(gè)電晶體它是可控制電流通過的電子閘門 n控制單元 CUn算術(shù)邏輯單元 ALUn暫存器n系統(tǒng)時(shí)鐘 n將整個(gè)電腦的電路放進(jìn)一片微晶片中更便宜更快
7、n執(zhí)行先前由其他硬體所負(fù)責(zé)的功能數(shù)學(xué)輔助處理器現(xiàn)在是微處理器的一部分多媒體指令現(xiàn)在也成了微處理器的一部分 n電腦跑得更快n造價(jià)更便宜n更穩(wěn)定合併到微處理器上的功能越多： 和 Intel 相容n Cyrixn AMD n PowerPC由 Apple、IBM 和 Motorola 所合作設(shè)計(jì)主要是用在Apple Macintosh個(gè)人電腦家族上它也可以用在伺服器與內(nèi)嵌式系統(tǒng)中n Alpha由Compaq (康柏) 所製造用在高階伺服器與工作站上 n互補(bǔ)金氧半導(dǎo)體 (Complementary metal oxide semiconductor)n只耗用一點(diǎn)點(diǎn)電力n用在 PC 上儲(chǔ)存電腦在開機(jī)過程
8、所需要的硬體設(shè)定資訊n藉由電池的電力使它在電腦關(guān)機(jī)後仍然保存著資料 n保存目前執(zhí)行中程式的指令與資料n在記憶體裡的資料可以被隨機(jī)存取n存取方便且快速n揮發(fā)性n電源關(guān)閉後 RAM 上的資料就會(huì)消失n RAM 上的資料可以被修改 n只要有電力，儲(chǔ)存內(nèi)容就會(huì)依舊存在n速度比 DRAM 快 DRAMn必須持續(xù)充電n因?yàn)樗捏w積與價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)的 PC 記憶體都使用它n SDRAM 比較快的一種 DRAMn Rambus DRAM速度比 SDRAM 快價(jià)格較貴 n購買封裝在電路板上的記憶體模組n SIMM 晶片是安裝在電路板的一邊n DIMM 晶片是安裝在電路板的兩邊n你能安裝的RAM數(shù)量最多是多少
9、，取決於主機(jī)板的設(shè)計(jì) n在工廠製造時(shí)便燒錄了永久的程式和資料n可以被讀取n可以被使用n使用者不能修改n儲(chǔ)存電腦開機(jī)時(shí)所需要啟動(dòng)的開機(jī)程序n非揮發(fā)性 n可程式化 (Programmable) ROMn ROM 燒錄器 (ROM burner) 可以修改某些特殊 ROM 晶片上的指令 n一組傳送電子訊號(hào)的電路n系統(tǒng)匯流排負(fù)責(zé)在 CPU 與記憶體之間傳送資料n匯流排寬度電腦一次可以傳輸?shù)馁Y料位元數(shù)通常會(huì)和 CPU 的字組 (word) 大小一致n速度是用 megahertz (MHz) 來衡量 匯流排寬度越大=電腦的運(yùn)算能力越強(qiáng)CPU 一次可以傳輸更多的資料=電腦速度變快CPU 能參考到更大的記憶體
10、位址=有更多的記憶體 n連接到擴(kuò)充槽n將擴(kuò)充電路板插入擴(kuò)充槽裡介面卡 (interface card)adapter cardn提供外部的連接端 / 連接埠序列埠平行埠 用在慢速的裝置如滑鼠和數(shù)據(jù)機(jī)上適用於連接高速的裝置如硬碟和網(wǎng)路卡上連接記憶體與圖形卡以提供更快速的視訊效能支援 “daisy-chaining” 功能，省去需要多張擴(kuò)充卡的麻煩；可以“熱切換” (hot-swappable)一種高速的匯流排，通常是用在連接視訊設(shè)備到你的電腦上信用卡般大小的 PC Card 裝置，通常是用在筆記型電腦上 是什麼因素讓某臺(tái)電腦比其他電腦更快呢？n微處理器的速度n匯流排的大小n有沒有快取 (cach
11、e)n快閃記憶體n RISC 電腦n平行處理 完成指令執(zhí)行所需要的時(shí)間千分之一秒 (Millisecond)n百萬分之一秒 (Microsecond)n十億分之一秒 (Nanosecond)目前新型的電腦n兆分之一秒 (Picosecond)未來的電腦 n時(shí)鐘速度百萬赫茲 (Megahertz，MHz) 十億赫茲 (Gigahertz，GHz) n每秒完成的指令個(gè)數(shù)每秒一百萬個(gè)指令 (MIPS)n電腦處理複雜數(shù)學(xué)計(jì)算的能力每秒一百萬個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算 (Megaflop) n它是一塊小但非常快速的暫存記憶體n目的為了加速內(nèi)部資料和軟體指令的傳輸n存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令 第 1 步處理
12、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 和快取中下一次微處理器需要資料或指令時(shí)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 n內(nèi)部快取第一級(jí) (L1)內(nèi)建在微處理器中最多到 128KBn外部快取第二級(jí) (L2)在單獨(dú)晶片上256KB 或 512 KBSRAM 技術(shù)它比L1快取便宜但是較慢比記憶體快但是較貴 n非揮發(fā)性 RAMn使用在行動(dòng)電話數(shù)位相機(jī)數(shù)位錄音器PDA n CISC 技術(shù)複雜指令集計(jì)算模式一般傳統(tǒng)電腦其中許多指令很少用到n RISC 技術(shù)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算模式只提供一小組指令速度增快適合很少用到複雜指令的程式 n繪圖領(lǐng)域n工程領(lǐng)域 n循序處理每次只執(zhí)行一項(xiàng)指令擷取、解碼、執(zhí)行、儲(chǔ)存n平行處理同一時(shí)間有多個(gè)處理器同時(shí)工作有能力處理每秒鐘數(shù)兆個(gè)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令例如網(wǎng)路伺服器與超級(jí)電腦 n管線技術(shù) (Pipelining)指令的動(dòng)作並不需要在下一個(gè)指令開始運(yùn)作前完成例如指令 1 完成擷取動(dòng)作開始解碼後，就可以開始擷取指令 2
中央處理器CPU電腦內(nèi)部是怎麼運(yùn)作
