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Chapter 5 微處理器與主記憶體 5-1 微處理器 5-2 主記憶體 5-1 微處理器 在電腦的基本架構中，中央處理單元是整體運作的核 心，記憶單元則是用來儲存程式與資料的位置。而在 實際應用上，中央處理單元被製成微處理器，記憶單 元則成了各種不同形式的記憶體模組或儲存設備。 5-1.1認識微處理器 微處理器的主要原料為沙子中提煉出的二氧化矽，經 過繁複的程序製成晶圓(wafer)。晶圓透過特殊氣體、 化學物質以及紫外光在上面蝕刻出各種電路結構，並 用銅、金等金屬做為連接電路，再切割為一塊塊獨立 的晶片，這些晶片會依其用途與功能封裝為不同形式 的積體電路。 5-1.1認識微處理器 微處理器的作用 微處理器是電腦系統的核心，主要負責算術／邏輯運 算、解釋每個指令所代表的意義、並指揮控制其他元 件進行指定的工作。 5-1.1認識微處理器 微處理器的指令結構 微處理器的指令是由運算碼和運算元組成。 –運算碼( operation code，OP Code ) 為該指令欲執行的動作。 –運算元( operand ) 為該指令執行對象（以其位址表示）或資料。 5-1.1認識微處理器 微處理器的運作方式 不論電腦在處理哪種工作，微處理器就是不斷地重複 「擷取、解碼、執行、儲存」等四個主要步驟。 擷取+解碼=擷取週期(fetch cycle) 執行+儲存=執行週期(execution cycle) 擷取週期+ 執行週期= 機器週期(machine cycle) 5-1.2 影響微處理器效能的因素 時脈頻率與微處理器效能 時脈週期(clock period)是時脈頻率的倒數，若某微處 理器時脈頻率為500 MHz，則時脈為 1／(500×106)秒＝2×10-9秒＝2 ns（奈秒） 5-1.2 影響微處理器效能的因素 字組長度與微處理器位元數 微處理器在每一次機器週期中能夠處理的資料量稱為 字組(word)，而一般所說微處理器的位元數也就是指 字組長度。 例如Pentium Ⅳ是32位元的微處理器，而Intel Core 2 Duo與AMD Athlon x2都是64位元微處理器。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 暫存器與快取記憶體 微處理器中用來暫時存放目前指令的記憶體位址，或 是作為計算中資料的暫時存放位置稱為暫存器。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 相對於微處理器的運算速度來說，存取記憶體的動作 實在太過緩慢而耗時，為了增進處理效能，微處理器 會將一種速度較快的記憶體直接設計在微處理器中， 稱為L1/L2快取記憶體(Level 1/Level 2 cache)。 L1/L2快取記憶體可減少微處理器等待資料從主記憶 體載入的時間，快取記憶體愈大則其效能也就愈高。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 特殊指令集 微處理器製造商為了特別加強微處理器在某些方面的 處理效能，通常會設計專屬的指令集，例如MMX、 3DNow!、SSE等都是用來增強處理圖形、影像以及 3D動畫速度的一種多媒體指令集。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 多核心與平行處理 為了提昇處理器的效能，微處理器廠商現今多採用多 核心設計架構，將多個獨立的微處理器封裝在一起。 每個獨立微處理器可平行處理程式中的執行緒。 多核心微處理器比單核心微處理器更適合多工環境， 但是在單獨執行一個程式的時候，多核心處理器的效 率並不會比同時脈的單核心處理器來的高。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 CPU廠商常用以下的命名方式來區隔CPU核心數： –Solo代表單核心 –Duo或X2代表雙核心 –Quad或X4代表四核心 從CPU的型號名稱就能大約了解該CPU的位元數及核 心數。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 5-2 主記憶體 記憶體可分為主記憶體與輔助記憶體二大類。 5-2.1 記憶體類型 隨機存取記憶體RAM 隨機存取記憶體(RAM)屬於揮發性記憶體，當電源消 失時儲存的資料便會消失，也由於使用者可從中任意 讀取某一位址的資料，亦可由任一位址寫入資料，因 此稱為「隨機存取」記憶體。 5-2.1 記憶體類型 不同形式的RAM 5-2.1 記憶體類型 唯讀記憶體ROM 唯讀記憶體(ROM)屬於非揮發 性記憶體，不會因電源關閉而 使其中的資料消失。 例如EPROM 必須透過紫外線 來清除原本的資料。 5-2.1 記憶體類型 目前最常使用的一種 ROM 形 式則是 flash ROM （快閃記憶 體），單位價格便宜且儲存密 度較高，使用者只要透過特殊 程式便能覆寫內部資料。 普遍用於隨身碟、或是數位相 機、MP3隨身聽等儲存媒體。 5-2.1 記憶體類型 輔助記憶體 由於電腦中要儲存的資料愈來愈多，因此除主記憶體 外又發展出各種輔助記憶體設備，例如磁碟、光碟、 磁帶等相關儲存設備，這些在稍後的章節會有更詳細 的介紹。 5-2.2 記憶體架構 RAM扮演中介者的角色 當程式要被執行前，作業系統會將程式及部份資料先 由磁碟載入RAM中，微處理器再由RAM中讀取程式 與資料，藉此加快系統的處理速度。 5-2.2 記憶體架構 理論上要執行的程式會被整個載入RAM中再執行， 不過由於許多程式都大於RAM的實際容量，因此有 些作業系統便會以部份磁碟空間來模擬RAM的功能 並稱之為虛擬記憶體(virtual memory)。 5-2.2 記憶體架構 記憶體的階層關係 5-2.3 記憶體模組 DRAM模組依其設計則會採用不同的規格與接腳(pin) 數目，不同形式的記憶體模組如下。 5-2.3 記憶體模組 常見的DRAM類型 DRAM的型態與存取方式隨著硬體技術進步而不斷在 改變，以下是常見的DRAM類型。 5-1.1認識微處理器 例如「ADD A,B」便代表將位址A,B中的 值相加後存入位址A中。依據指 令不同，運算碼通常只 有一個，但運算元則可 以有0個、1個或多個。 微處理器能使用的所有指令稱為指令集，主要可分為 「精簡指令集」以及「複雜指令集」。 5-1.1認識微處理器 精簡指令集(RISC) ARM系列微處理器則屬於精簡指令集，常用於可攜 式裝置如PDA、手機、多媒體播放器設備。 複雜指令集(CISC) PC微處理器屬於複雜指令集，廣泛用於個人電腦 5-1.1認識微處理器 – 擷取(fetch) 由記憶體中擷取指令以及所 需的運算資料。 – 解碼(decode) 對指令進行翻譯，以便瞭解 指令所代表的意義。 5-1.1認識微處理器 – 執行(excute) 根據指令要求執行相關的處 理動作。 – 儲存(store) 將運算結果儲存至暫存器或 記憶體內。 註：並非所有的電腦指令皆可細分為「擷取」、「解碼」 、「執行」與「儲存」，例如終止指令HLT便沒有儲 存運算結果的動作。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 我們常使用MIPS作為衡量電腦效能的單位， 因此假 設該微處理器完成一個指令平均需時4 ns（2個clock ），則可計算該微處理器的效能為 500／2＝250(MIPS) 微處理器時脈頻率愈高，代表具有較高的處理效能。 5-1.2 影響微處理器效能的因素 5-1.2 影響微處理器效能的因素