Transcript 第5章中央處理單元與主記憶體

第5章
中央處理單元與主記憶體
5-1 中央處理單元－CPU
5-2 主記憶體
光碟、紙張用得少
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05221CA適用
5-1
中央處理單元－CPU（1/10）
CPU的組成
控制、協調電腦各
單元間的相互運作
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資料的算術運算
與邏輯判斷
存放最常被用到
的資料或指令
存放運算中的指令、
資料，及指令被執行
後的狀態
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5-2
暫存器的種類
暫存器名稱
累加器（accumulator）
用途說明
存放運算的結果
存放指令或資料在主記憶體中
位址暫存器（address register）
的位址
一般用途暫存器
暫存一般運算資料及位址資料
（general-purpose register）
指令暫存器
暫存正在執行中的指令
（instruction register）
程式計數器（program counter） 存放下一個要執行的指令位址
旗標暫存器（flag register）
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存放CPU執行指令後的各種狀
態
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5-3
檢定考題
CPU必先將要存取的位址存入何處，才
能到主記憶體中存取資料？ (A)資料暫存
器 (B)位址暫存器 (C)輸出單元 (D)指令
暫存器
「程式計數器(PC)」的作用為何？ (A)
存放錯誤指令的個數 (B)存放資料處理的
結果 (C)存放程式指令 (D)存放下一個要
被執行的指令位址
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5-4
中央處理單元－CPU（2/10）
快取記憶體：存取速度比主記憶體快，
常分為L1、L2、L3等3種
快
速
度
慢
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5-5
補充
CPU的功能與結構測驗
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5-6
中央處理單元－CPU（3/10）
CPU執行一個指令的過程稱為一個機器
週期（machine cycle）
主要包含擷取、解碼、執行、儲存
1.控制單元從記憶體
中擷取指令及資料
4.控制單元將運算
或處理結果存至暫
存器或記憶體
控制單元
擷
取
記
憶
體
儲
存
解
碼
算術/邏輯
單元
執
行
2.控制單元將指令
解碼並將運算所需
的資料，傳送到算
術/邏輯單元
3.算術/邏輯單元
進行資料的運算
CPU執行指令的步驟示意圖
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5-7
中央處理單元－CPU
機器週期（machine cycle）：
CPU執行一個指令的過程稱為一個
指令週期=擷取 + 解碼
執行週期=執行 + 儲存
MIPS(每秒百萬個指令)：
 每秒執行百萬個指令
 MIPS值越高，表示CPU執行速度越快
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5-8
補充
以書架取書與讀書的生活實例，說明指
令週期
指令週期的測驗
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5-9
中央處理單元－CPU（4/10）
個人電腦內常見的CPU
 Intel及AMD是生產個人電腦CPU的主要廠
商
 CPU有分許多不同效能等級，如適用於文書
處理、網頁瀏覽等需求的一般CPU；適用於
玩3D遊戲、進行影音處理的較高階CPU等
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5-10
統測、檢定考題
在電腦中，下列哪一個單元負責指令的
解碼？ (A)控制單元 (B)輸入單元 (C)記
憶單元 (D)算術與邏輯單元
CPU中的控制單元主要功能在控制電腦
的動作，下列何者不是控制單元所執行
的動作？ (A)控制 (B)解碼 (C)執行 (D)
計算
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5-11
統測、檢定考題
電腦的那一個部份負責從主記憶體讀取
並解釋指令？ (A)控制單元 (B)主記憶體
(C)輸出/入單元 (D)算術邏輯單元
「MIPS」為下列何者之衡量單位？ (A)
印表機之印字速度 (B)CPU之處理速度
(C)螢幕之解析度 (D)磁碟機之讀取速度
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5-12
中央處理單元－CPU（5/10）
多核心CPU
 多核心CPU是指含有多個運算核心的CPU
 我們可以透過CPU的型號或規格表，來瞭解
CPU的核心數
ex：AMD CPU：
Phenom II X4 =>四核心
Phenom II X6 =>六核心
 Ex：Intel
CPU核心數要上網查詢
 目前「十六核心」CPU已問世
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5-13
中央處理單元－CPU（6/10）
四核心CPU及運作示意圖
將4個獨立的運算核心（包含
控制單元、算術/邏輯單元、
快取記憶體及暫存器）整合
在一個CPU
時間
C1
C2
單核 2*4=8 7-2=5
C3
4/4=1
C4
C5
…
1+6=7 8+5=13 …
2*4=8
7-2=5 8+5=13
13+8=21
四核
4/4=1 1+7=8
1+6=7
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5-14
多核心 vs.多CPU
多核心CPU就像是一個廚房裡有多位廚
師，可同時烹煮多道菜，烹煮速度自然
比一個廚房裡只有1位廚師（單核心）來
得快
市售個人電腦的CPU以多核心為主；而
伺服器專用機種則多半配有多個CPU
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5-15
補充－CPU
CPU製作過程影片
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5-16
中央處理單元－CPU（7/10）
CPU包裝盒上的規格標示
速率
快取記
憶體容
量
名稱
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5-17
中央處理單元－CPU（8/10）
CPU的規格
 名稱：CPU的製造廠商及產品型號
 速率：CPU的工作頻率（clock
rate）(或稱
內頻)，單位為GHz
 快取記憶體容量：市售的CPU通常都內建有
512KB ~ 12MB的快取記憶體
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5-18
中央處理單元－CPU
1秒內有33.3億
次震盪
CPU利用這一連串的電壓變化來
改變其內部元件的電路狀態，以
進行資料運算及邏輯判斷等工作
1次震盪
3.33GHz的CPU工作頻率示意圖
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5-19
內頻與外頻
內頻：CPU內部的工作頻率
外頻：CPU與晶片組之間的
資料傳輸頻率
倍頻係數：CPU出廠時所設定的內頻
與外頻間的倍數
三者關係：內頻 = 外頻 × 倍頻係數
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5-20
統測考題
下列有關微處理器的敘述，何者正確？
(A)時脈(clock)是時脈頻率的倒數 (B)位
址暫存器可用以存放各種狀態或運算的
結果 (C)相較於多核心微處理器，單核
心微處理器更適合多工環境 (D)執行週
期包括擷取、解碼、執行三個主要步驟
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5-21
統測考題
某微處理器時脈頻率為100MHz，假設執
行1個指令需要3個時脈，則執行該指令
需要多少時間？ (A)0.3ns (B)3ns
(C)30ns (D)300ns
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5-22
中央處理單元－CPU（9/10）
影響CPU效能的因素
 工作頻率：頻率越高，電腦執行速度
越快
 字組的大小：字組（word）即一般用
途暫存器的位元數。
64位元電腦，即是指CPU的字組大小
為64位元
• 字組的大小，早期常以資料匯流排寬度來決定，
應該以一般用途暫存器的位元數來衡量才正確
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第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-1 中央處理單元－CPU
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5-23
中央處理單元－CPU（10/10）
 快取記憶體的大小：
存放常被CPU使用的資料或指令，容量越大，
CPU的執行效能越高
 採用的指令集：可分CISC及RISC
種類
型號代表
單一指令長度
指令集
數目
單一指令
執行速度
CISC
Intel
Pentium
較長
（長度不一）
較多
較慢
RISC
Apple
PowerPC
較短
（長度固定）
較少
較快
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第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-1 中央處理單元－CPU
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5-24
節練習
一般衡量電腦執行速率，主要是比較下
列哪一個單元？ (A)輸入單元 (B)輸出單
元 (C)記憶單元 (D)中央處理單元
暫存器(register)是在電腦的哪一個單元
中？ (A)輸入單元 (B)中央處理單元 (C)
記憶單元 (D)輸出單元
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5-25
節練習
CPU欲至主記憶體中存取資料，必先將
所欲存取之位址存入下列何者之中？ (A)
控制單元 (B)資料暫存器 (C)輸出或輸入
單元 (D)位址暫存器
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5-26
節練習
下列何種技術即所謂雙核心技術？ (A)將
2個微處理器安裝於同一主機板內 (B)將
南橋晶片及北橋晶片製作在同一晶片內
(C)將2個運算核心安置在同一微處理器
內 (D)將L1及L2快取記憶體製作在同一
晶片內
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5-27
節練習
下列哪一種單位是用來表示CPU的執行
速度？ (A)GHz (B)CPS (C)LPM
(D)Mbytes
CPU執行指令包含 擷取 、解碼、 執
行 、儲存等4個步驟
若某CPU的執行速度為5MIPS，則執行5
百萬個指令共需花費 1 秒
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5-28
主記憶體（1/7）
記憶體分類
DRAM
RAM
SRAM
主記憶體
ROM
記
憶
體
軟碟
硬碟
CD
光碟
DVD
隨身碟
藍光
輔助記憶體
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第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
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5-29
主記憶體（2/7）
隨機存取記憶體（RAM）：電腦關機時，
資料會隨著電源一起消失，又稱為揮發
性記憶體
一顆記憶體晶片
（courtesy of 旗標）
條狀的銅色金屬即為針腳（pin），
插入插槽後與主機板電路連接
筆記型電腦用
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桌上型電腦用
第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
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5-30
主記憶體（3/7）
隨機存取記憶體分為動態隨機存取記憶
體（DRAM）及靜態隨機存取記憶體
（SRAM）
 DRAM須持續充電更新，儲存於其內的資料
才不會消失。個人電腦的「記憶體」指的就
是DRAM
 SRAM不需持續充電更新，即可保存儲存於
其內的資料，常被用來作為快取記憶體
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第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
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5-31
主記憶體（4/7）
DRAM與SRAM的比較
項目
DRAM
SRAM
是否需持續充電
是
否
存取速度
較慢
較快
應用
主記憶體
快取記憶體
價格
便宜
較貴
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第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
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5-32
DDR 2 vs. DDR 3
DDR 2
DDR 3
由標籤上分辨
類別
項目
傳輸速度
單條記憶體容量
耗電量
價格（1GB）
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皆為240 pins，但缺口位置不同
DDR 2
DDR 3
3.2 GB/sec ~ 5.3 GB/sec
8.5 GB/sec ~ 12.8 GB/sec
256 MB ~ 4 GB
1 GB ~ 16 GB
高
低
較貴
便宜
第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
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5-33
主記憶體（5/7）
唯讀記憶體
 只能讀取而不能寫入資料，儲存於其內的資
料不會隨電腦電源的關閉而消失
 通常用來存放永久性的程式或資料，例如
BIOS程式
（courtesy of 旗標）
BIOS晶片
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5-34
主記憶體（6/7）
可修改內容的ROM
 可程式唯讀記憶體（PROM）
 可抹除可程式唯讀記憶體（EPROM）
 電子可抹除可程式唯讀記憶體（EEPROM）
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第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
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5-35
主記憶體（7/7）
 快閃記憶體（flash
memory）：被廣泛地運
用在智慧型手機、智慧IC卡、隨身碟、記憶
卡等產品上
隨身碟
記憶卡
智慧IC卡
智慧型手機
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第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
05221CA適用
5-36
各類記憶體存取速度及容量比較
快
小
速度
容量
暫存器
暫存器
L1
L2
L3
L1
L2
L3
DRAM
ROM
ROM
DRAM
USB 3.0裝置
硬碟
USB 2.0裝置
光碟
軟碟
軟碟
USB 2.0/3.0裝置
光碟
硬碟
慢
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大
第5章 中央處理單元與主記憶體 / 5-2 主記憶體
05221CA適用
5-37
節練習
下列記憶體類型中，哪一種需要週期性
充電？ (A)快閃記憶體 (B)唯讀記憶體
(C)靜態隨機存取記憶體 (D)動態隨機存
取記憶體
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5-38
統測考題
電腦要執行任何軟體，首先要將可執行
碼載入下列何種儲存媒體中？ (A)輔助記
憶體 (B)ALU (C)主記憶體 (D)cache
下列有關RAM(隨機存取記憶體)的敘述何
者正確？ (A)RAM可以寫入 (B)RAM屬
於非揮發性記憶體 (C)RAM專門用來存
放開機系統程式 (D)RAM的資料在電腦
關閉後不會消失。
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05221CA適用
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