Transcript Chapter 1

資訊科技概論與奧妙
單元一
軟硬體等效原理
• 電腦系統-軟體、硬體
• 軟硬體等效原理
– 任何體軟體能做的事硬體一定能做，任
何硬體能做的事軟體也一定能做*
* 不考慮速度的情況下
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電腦的組成
• 基本來說，電腦是由三個部份所組成(或五大
單元)：
– 用來翻譯並執行程式的處理器
– 儲存資料和程式的記憶體
– 和外界傳送資料的機制
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計量
容量和速度的度量單位：
• Kilo- (K) = 1 thousand = 103 and 210
• Mega- (M) = 1 million = 106 and 220
• Giga- (G) = 1 billion = 109 and 230
• Tera- (T) = 1 trillion = 1012 and 240
• Peta- (P) = 1 quadrillion = 1015 and 250
單位是以十為底或是二為底是取決為所量測的東西為
何
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計量
• Hertz = 每秒幾個週期 (頻率)
– 1MHz = 1,000,000Hz
– 處理器的速度就是以MHz or GHz來計算
• Bit(Byte) = 儲存的單位
–
–
–
–
1KB = 210 = 1024 Bytes
1MB = 220 = 1,048,576 Bytes
主記憶體 (RAM) 是以 MB或GB來計算
硬碟則是以GB 或 TB 來計算
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計量
時間和空間的度量：
• Milli- (m) = 1 thousandth = 10 -3
• Micro- () = 1 millionth = 10 -6
• Nano- (n) = 1 billionth = 10 -9
• Pico- (p) = 1 trillionth = 10 -12
• Femto- (f) = 1 quadrillionth = 10 -15
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計量
• Millisecond = 千分之一秒
– 硬碟的存取時間通常為10 to 20 milliseconds
• Nanosecond = 十億分之一秒
– 主記憶體的存取時間通常為 50 to 70
nanoseconds
• Micron(micrometer) = 百萬分之一米
– 電路和計算機晶片的大小以microns計算
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計量
• 週期時間是時脈頻率的倒數
• 一個操作頻率為133MHz的匯流排，其週期為7.52
奈秒:
133,000,000 cycles/second = 7.52ns/cycle
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CPU
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CPU
• CPU(Central Processing Unit，中央處理
單元)俗稱『處理器』 (Processor)；它在
整部電腦的重要性，就宛如大腦對於人
之地位一般！CPU 不僅是 PC 中最重要
、最複雜的一個元件，它更肩負起執行
運算、邏輯判斷、資源控管、週邊協調
等關鍵性任務，我們也才能順利操作、
使用電腦上的所有軟硬體！
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CPU
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CPU
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CPU
四核、六核、八核
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CPU
• 腳位或對應之插槽：隨著 CPU 的演化，
封裝的針腳數也愈來愈多，從 462-Pin /
478-Pin 到 754 / 775 / 939 個針腳或接點
…；不同的 CPU腳位就得搭配專屬插槽
的主機板！
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CPU
• 快取記憶體大小：即俗稱的Cache
Memory，它通常與CPU直接整合在一起
，藉以提升系統的整體效能；此外，
CPU的Cache依層級(Level)區分為Level
1(L1，資料 / 指令快取)與Level 2(L2，記
憶快取)等2 種。一般廠商所標示、我們
比較在意的則是L2 Cache的大小！
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CPU
• 系統匯流排速率(System Bus 或 Processor
System Bus，PSB)，也稱之為FSB(Front
Side Bus，外部 / 前側匯流排)：指的是
CPU對外(與北橋晶片)的運作速度
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CPU
• Hyper-Threading與HyperTransport：這2個
技術分別為Intel與AMD所推出，字母縮
寫也恰好都為『H.T.』，但兩者的意義全
然不同！
• Hyper-Threading 字面上翻成『超執行緒
』，其方法是把1個實體的CPU『模擬』
成2顆CPU，增加處理器運作效率，藉以
有效地善用資源、減少系統資源的浪費
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CPU
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CPU
• HyperTransport(超傳輸)技術由AMD所開
發，主要是做為晶片 / 界面間的高速互連
通道－如CPU與北橋晶片、或南北橋間
的連結等；該通道具有雙向傳輸和可變
寬度(頻寬)的特性
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CPU
• 製程技術(Process Technology)這個名詞是
半導體業的術語，但由於CPU的核心
(Die)是從一片片晶圓(Wafer)中切割下來
，故才有這樣的名詞
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CPU
• Bandwidth係指單位時間內可傳送 / 接收
的資料量(Bytes / Sec)；在CPU的規格中
，除了會提供如FSB等頻率資料外，還會
告訴您該處理器的最大總頻寬
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CPU
• 指令集(Instruction Set)是一群指令的集合
；而指令則是 CPU 提供的服務。系統只
要說明：『請執行 xxxx 服務，所需的相
關資料有：yyy, zzz, www, ...』，CPU就
會依序執行
• 不過這是系統內部的運作，當中的執行
細節完全由 CPU 廠商來決定，但指令集
提供的服務是影響 CPU 效能的重要關鍵
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CPU
• 相同指令, 需要不同執行週期：
– 假設A、I兩個相同頻率的CPU都執行相同的
指令，I需要3個執行週期，A只需2個；則在
相同時脈下，A的效能自然比I快
• 組合指令較慢：
– 另一種情形則是：有些服務並非單一指令所
提供，而是由多道指令組合而成；這類組合
指令所需的執行週期自然比單一指令來得長
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CPU
• 隨著電腦的應用日趨頻繁，以往單純做
文書處理等簡單應用的指令集已經不足
以應付複雜的影像、聲音等龐大的多媒
體資訊，所以各家廠商紛紛研發特殊的
指令集
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硬碟原理
硬碟的運作原理：
等角速度
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硬碟原理
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硬碟原理
• 磁碟存取
時間：尋
找、旋轉(
等待)、讀
取、傳輸
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硬碟原理
RAID(Redundant Array of Independent
Disks，獨立磁碟冗餘陣列，簡稱為磁
碟陣列)的基本思想就是把多個相對便
宜的硬碟組合起來，成為一個磁碟陣列
組，使性能達到甚至超過一個價格昂貴
、容量巨大的硬碟
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硬碟原理
• 在所有的級別中，RAID
0的速度是最快的
• 實際上受限於匯流排I/O
瓶頸及其它因素的影響，
RAID效能會隨邊際遞減
，也就是說，假設一個軟
碟的效能是50MB每秒，
兩個軟碟的RAID 0效能
約96MB每秒，三個軟碟
的RAID 0也許是130MB
每秒而不是150MB每秒
，所以兩個軟碟的RAID
0最能明顯感受到效能的
提升
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硬碟原理
• 寫入速度有微小的降低
• 磁碟利用率最低
• 安全性最高
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硬碟原理
RAID 6
RAID 7
RAID 10
RAID 50
RAID 53
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記憶體
比較各種記憶體資料的存取速度
Register >Cache >RAM >ROM >Hard Disk >CD
>Floppy >Tape
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傳輸
• 串列ports將資料放在一或二條導線上以脈波方式
傳送
• 平行ports將資料放在至少八條導線上以脈波方式
傳送
• USB，universal serial bus，是一種智慧型的串列
介面，擁有self-configuring的特性。(支援 “plug
and play”)
– 2.0速度為480Mbps
– 3.0速度為5Gbps
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光碟發展與原理
•
CD-ROM發展歷史
–
60年代，美國的能量轉換設備ECD(Energy
Conversion Devices)公司開始利用雷射來紀錄
0與1的研究，採用的材料是相變(phasechange)材料，為半金屬材料，有兩個穩定狀
態：晶態與非晶態，利用這兩個狀態對光的
反射率不同可檢測出0與1，該材質所製成的
光碟稱之為相變光碟PCD
•
•
•
電子技術中有三束，電子束、離子束、雷射光束，
其中以雷射光束來紀錄資料最實際。
在不需要真空設備下，雷射光束可聚焦至1µm以下
相變光碟的材料用於紀錄資料不夠穩定可靠
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光碟發展與原理
–
–
Philips另闢途徑，利用凹凸表面來紀錄資料，對於雷
射光束的反射率不同-LD，紀錄類比訊號
Philips與Sony合作開發CD-DA，就是現在的雷射唱片
，紀錄數位訊號，在1982年問世，直徑12cm，可播
放72分鐘高質量的音樂節目，CD光碟片的音訊信號
質量成為標準
•
•
•
•
•
CD質量、FM調頻質量、AM質量、電話語音質量
是Philips公司光碟技術與Sony公司糾錯技術結合的產物，光
碟原始誤碼率由10-4降到10-9以下
16000TPI，光跡間距1.6μm，光跡寬度0.6μm，總長約5km，
凹坑深度約0.12μm
光跡分為導入區、資訊區與導出區三部份
開始用於資料儲存
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光碟發展與原理
• CD-R原理：藉由高功率的雷射光照射
CD-R光碟片的染料層，使其產生化學變
化造成CD-R光碟片平面產生不同的凹洞
(Pit)進而分辨0或1的訊號，而0和1即數位
世界裡的基本訊號表示方式
• 依據染料層的不同分為綠片，藍片，金
片等
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光碟發展與原理
• CD-RW為CD-ReWritable的縮寫
• 可以重複寫入的光碟燒錄技術，必須使
用專門的CD-RW片
• 原理為利用鍍在光碟片上的銀，銦，硒
或碲結晶層可因雷射光功率的不同而有
結晶和非結晶兩種狀態進行訊號的設定
動作，由於結晶狀態可以改變，因此可
重複燒錄
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光碟發展與原理
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光碟發展與原理
•
EFM(Eight to Fourteen Modulation)調變編碼
–
–
–
–
–
把使用者資料、位址資訊、錯誤校正碼、同步位元等
通通變成通道位串(bit stream)
雷射波長780nm，聚焦雷射用的物鏡的數值孔徑約為
0.45nm，凹坑與非凹坑長度介於0.833μm到3.054μm
間
兩個連續的1變成通道位元時需要插入兩個0-最小游
程(run-length)
考慮紀錄信號本身的自同步及其他因素，兩個1之間0
的個數不可超過10個-最大游程
214=16384，267滿足游程限制，合併時有10個不合用
，任意去掉一個
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光碟發展與原理
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電腦階層
• 除了晶片之外，電腦是由許多其它的東
西所組成的
• 在電腦能做些有價值的事情之前，它必須
使用軟體才行
• 我們必須用 “分擊法” 來寫複雜的程式，
就是每個程式模組解決一小部份的問題-軟
體工程、日不落帝國
• 複雜的電腦系統也在虛擬的機器層級中使
用類似的技巧
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電腦階層
• 每個虛擬機器層級
都是下一層的抽像
化層級
• 每一層機器都執行
它們特殊的指令，
去呼叫下一層的機
器來執行所需的工
作
• 最後電腦的電路會
完成所需要的工作
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電腦階層
• Level 6: 使用者階層(The User Level)
– 程式執行及使用者介面階層
– 這是我們最熟悉的
• Level 5: 高階語言階層(High-Level Language
Level)
– 我們寫一些語言，如C，Pascal，Lisp，和Java時
，所會接觸到的階層
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電腦階層
• Level 4: 組合語言階層(Assembly Language
Level)
– 對level 5而來的組合語言產生動作，也可以直
接在這層寫組合語言程式
• Level 3: 系統軟體階層(System Software Level)
– 控制系統中行程的執行
– 保護系統的資源
– 組合語言指令通常直接的經過這一層
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電腦階層
• Level 2: 機器階層(Machine Level)
– 也稱為指令集架構(ISA)階層
– 由特殊機器架構的指令所組成
– 以機器語言所寫的程式不需要用到編譯器、
直譯器，或是組譯器
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電腦階層
• Level 1: 控制階層(Control Level)
– 控制單元對指令解碼並執行，並且在系統中搬
運資料
– 控制單元可以是微程式化或是硬體接線式的
– 微程式是一種以低階語言寫成的程式，經由硬
體來實現
– 硬體接線式控制單元是由直接執行硬體指令的
硬體所組成
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電腦階層
• Level 0: 數位邏輯階層(Digital Logic Level)
– 這一層是數位電路所存在的階層(晶片)
– 數位電路是由閘和線所組成
– 這些元件實現了其它層的數學邏輯式
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von Neumann模型
• 在ENIAC的機
器上，寫程式
必須在數位邏
輯階層完成
• 在電腦上寫程
式就是要插拔
一些線
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von Neumann模型
• ENIAC的發明者，John Mauchley和J.
Presper Eckert，想像電腦可以儲存指
令在記憶體內
• 這個觀念肇始於一個數學家，John von
Neumann，他和Mauchley及Eckert是同
一個時代的人
• 內儲程式電腦就是von Neumann架構系
統
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von Neumann模型
• 今日的內儲程式電腦有下列特性：
– 三個硬體單元:
• 中央處理器(CPU)
• 主記憶體系統
• I/O系統
– 能處理一連串指令的能力
– 在CPU和主記憶體間有單一的路徑
• 這個單一的路徑就稱為von Neumann瓶頸
• 即不論CPU與記憶體的速度有多快，整個系統的速度
終將受限於匯流排(bus)的速度
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von Neumann模型
• 右邊是一個 von
Neumann
system的示意
圖:
• 這種電腦是用
擷取-解碼-執行
週期來執行程式
，如下所示…
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von Neumann模型
• 控制單元藉著程式計數器來從記憶體擷取下一個
指令
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von Neumann模型
• 指令被解碼成ALU能了解的語言
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von Neumann模型
• 所需的運算元會從記憶體擷取並放在CPU的暫存
器中
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von Neumann模型
• ALU 執行指令並將結果放到暫存器或記憶體中
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von Neumann模型
• 傳統的內儲程式電腦在過去幾年都一直
有所改進
• 這些改進包括加入特殊匯流排、浮點運
算單元、以及快取記憶體等等
• 但是要對效能有相當的增進則需要另一
種有別於傳統von Neumann架構的機器革命性架構上的改變
• 增加處理器就是其中一種方法
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電腦發展史
• 第0代：機械式計算機器 (1642 - 1945)
– 計裱式計時器 - Wilhelm Schickard(1592 - 1635)
– Pascaline - Blaise Pascal(1623 - 1662)
– Difference Engine - Charles Babbage(1791 - 1871) ，
有設計出但未被製造的 Analytical Engine
– 打孔卡式的機器 - Herman Hollerith(1860 - 1929)
在1970年代，用Hollerith卡片來輸入的情況
非常普遍
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電腦發展史
• 第一代：真空管電腦 (1945 - 1953)
– Atanasoff Berry
Computer(1937 1938)解線性方程式
– John Atanasoff and
Clifford Berry of
Iowa State University
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電腦發展史
• 第一代：真空管電腦(1945 - 1953)
– Electronic Numerical
Integrator and
Computer(ENIAC)
– John Mauchly and J.
Presper Eckert
– University of
Pennsylvania, 1946
第一部通用型電腦
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電腦發展史
• 第一代：真空管電腦(1945 - 1953)
– IBM
650(1955)
– 在1969停
產
第一部量產的電腦
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電腦發展史
• 第二代：電晶體電腦 (1954 - 1965)
– IBM 7094(科學用途)
and 1401(商用)
– Digital Equipment
Corporation(DEC)
PDP-1
– Univac 1100
– . . . 還有很多其它的
DEC PDP-1
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電腦發展史
• 第三代：積體電路電腦 (1965 - 1980)
– IBM 360
– DEC PDP-8 and
PDP-11
– Cray-1超級電腦
– . . .還有很多其它的
IBM 360
Cray-1
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電腦發展史
• 第四代：超大型積體電路電腦 (1980 ????)
– 超大型積體電路(VLSI)在一個晶片上
含有超過10,000個元件
– 讓微處理器得以實現
– 第一個就是4-bit的 Intel 4004
Intel
4004
後來，像是 8080，8086，and 8088蘊育了 “個
人計算”的概念
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電腦發展史
Cray T90超級電腦
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電腦發展史
• Moore’s Law (1965)
– Gordon Moore，Intel的創辦人
– “積體電路中電晶體的密度，每兩年就會倍增”，
即性能也倍增，但價格不變
• 現在的版本:
– “矽晶片的密度每18個月就會倍增”
但是這個 “定律” 不會永遠都成立的...
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電腦發展史
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電腦發展史
• Rock’s Law
– Arthur Rock，Intel創辦人
– “生產半導體的成本每四年就會倍增”
– 在1968，一個晶片廠約要$12,000美元
當時, $12,000 可以在市郊買一棟不錯的房子了
一個一年能賺 $12,000美元的人可以過 “很好的生
活”
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電腦發展史
• Rock’s Law
– 在2003，蓋一座晶片廠要花費超過 $2.5 billion
$2.5 billion 比一些小國的國民生產毛額還要高了
, 像貝里斯, 不丹, 獅子山共和國等
– 如果 Moore’s Law要成立，那Rock’s Law 就必
需不成立，或是相反。 但是沒人能說出那一
種情況會先出現
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標準組織
• 有很多的組織在訂定電腦硬體的
標準–包含電腦組件間軟硬體的溝
通
• 現在或在你往後的生活或職業生
涯裡，你會不斷的碰到這些東西
• 一些最重要的標準制定組織有 . . .
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標準組織
• 國際電機電子工程學會(IEEE)
– 一個促進共同利益的世界性電機工程社
群
– 建立電腦組件、資料表示、信號協定和
其它林林種種的標準
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標準組織
• 國際電信協會(ITU)
– 關注在電信系統的溝通，包含資料通信和電
話通訊方式
• 各國的標準制定團體：
– The American National Standards
Institute(ANSI)
– The British Standards Institution(BSI)
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標準組織
• 國際標準組織(ISO)
– 建立世界上各種事物的標準，小從螺絲
丁的螺紋到軟片
– 對電腦軟硬體的標準制訂有其影響性，
包括他們的製造方法
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