Transcript 計算機概論 第二版 - 國立高雄應用科技大學

LOGO
計算機概論
第二版
Foundations of Computer Science
Chapter 6 電腦網路
歐亞書局
6.1 簡介
網路（network）是由硬體和軟體所組成，而網路將資料從本
地端送到另一端。
網路必須要滿足一些準則。其中最重要的是效能、可靠性和
安全。
測量效能（performance），包含傳送時間和回覆時間。傳送
時間是從一端傳送訊息至另一端的時間總和。回覆時間是一
個詢問和反應之間所經過的時間。網路效能依賴著一些因素，
包含使用者的數量、傳輸媒介的種類、連結硬體的能力和軟
體的效率。
網路的可靠性（reliability）是以失敗的頻率、從失敗重新恢復
的時間以及災難中網路的強健性來評估。
網路安全（security）問題包含保護資料免於未經許可的存取、
損害與改變，以及實現從資料遺失和破壞中恢復的原則和程
序。
歐亞書局
p.138
圖 6.1 連接的方式：點對點和多點
歐亞書局
p.138
點對點連接（point-to-point connection）提供兩台裝置一條專
用的鏈結，整個鏈結的容量都保留給兩台裝置之間的傳輸使
用。多點連接（multipoint connection）也稱為多分支連接
（multidrop connection）是兩個以上的裝置共用一條鏈結。在
多點連接的環境，通訊管道的容量在空間上或者時間上是共
用的。
實體拓樸（physical topology）是指網路以何種方式佈局，有
四個基本的拓樸：網狀、星狀、匯流排和環形。
歐亞書局
p.139
圖 6.2 四種實體拓樸
歐亞書局
p.139
在網狀拓樸（mesh topology）上，每個節點都有一條專屬的
點對點鏈結連至每個節點。
在星狀拓樸（star topology）上，每個節點有一條專屬的點對
點鏈結連至唯一的中央控制器，通常也稱為集線器（hub）。
今日在高速網路最普遍的拓樸是星狀。
在匯流排拓樸（bus topology）使用多點鏈結，一條長的電纜
又稱作匯流排，扮演著像骨幹（backbone）的角色，連接在網
路上所有的節點。
環狀拓樸（ring topology）上，每個節點都有一條專屬的點對
點鏈結連接至它兩邊的節點。
歐亞書局
p.139
網路的種類
今日的網路可以被分為三大類：區域網路、廣域網路和大都
會網路。這是依照它的規模大小所劃分。
區域網路（local area network；LAN）通常是私有的且連結一
間辦公室、一棟建築物或者是校園的節點。目前區域網路的
大小限制為幾公里的範圍。區域網路的設計是為了讓個人電
腦和工作站共享資源。
歐亞書局
p.140
圖 6.3 一個被孤立的區域網路（八台電腦連至一台集線器）
歐亞書局
p.140
廣域網路（wide area network；WAN）提供長途的資料、圖片、
影像、聲音傳送，所傳送範圍可能穿越國家、大陸甚至是全
世界。
點對點廣域網路通常是一條線（像是電話線或是纜線）連接
兩個節點。骨幹廣域網路是一個由服務提供者所操作的複雜
網路，通常連接著網際網路服務提供者（ISPs）。
歐亞書局
p.141
圖 6.4 點對點廣域網路和骨幹廣域網路
歐亞書局
p.141
大都會網路（metropolitan area network；MAN）是介於區域網
路和廣域網路之間的網路。大都會網路的範圍通常是一個城
鎮或是一個城市的大小。它專門設計給需要高速網路連接，
以及終端延伸至另一個城市或是城市的其他地方的顧客。
網路是彼此連接的，當兩個或多個網路相連接時，它們變成
一個互聯網路〔internetwork 或 internet（小寫的 i）〕。路由
器（routers）是用來安排封包（訊息）在互聯網路上行走路線
的裝置。最著名的互聯網路是網際網路（Internet；大寫的 I），
協同著數十萬個彼此相連的節點。
歐亞書局
p.141
圖 6.5 互聯網路是由廣域網路、區域網路和路由器所組成
歐亞書局
p.142
大部分的終端使用者想要連上網際網路都會使用網際網路服
務提供者（Internet service providers；ISPs）的服務。ISP 是一
個組織，具有一部或多部伺服器（高效能的電腦）透過高速
網路線連接上網際網路，個別的網路使用者或小型電腦可以
透過訂定一個服務契約和付款方式連接到本地 ISP 的伺服器。
ISP 有國際服務提供者、國家服務提供者、地區服務提供者和
本地服務提供者。
歐亞書局
p.142
圖 6.6 網際網路的階級組織
歐亞書局
p.143
6.2 TCP/IP 協定組合
為了分割工作所需的服務， 網際網路已經產生一套規則稱為
協定（protocol）。操縱著今日網際網路的協定稱為 TCP/IP
協定組合（TCP/IP protocol suite）。
原先的 TCP/IP 協定組合被定義成四層：主機到網路（或鏈
結）、網際網路（網路）、傳輸和應用。不過，今日的
TCP/IP 協定組合為五階層的模型。
歐亞書局
p.143
圖 6.7 TCP/IP 協定組合
歐亞書局
p.144
圖 6.8 TCP/IP 協定組合的彼此關係
歐亞書局
p.144
6.3 階層
應用層
應用層（application layer）讓使用者，無論是人或軟體，都可
以去使用網路。應用層是網際網路的大多數使用者唯一可見
的一層。
客戶─伺服器架構（client-server architecture）是比較普遍的。
另一個架構是點對點架構（peer-to-peer architecture），則是變
得流行。
在客戶─伺服器架構中，每個應用是由兩個分離但相關程式所
組成：一個是客戶程式，另一個是伺服器程式。伺服器程式
必須一直執行；客戶程式可以只在需要的時候執行。
客戶程式和伺服器程式之間的通訊是行程對行程的通訊
（process-to-process communication）。
歐亞書局
p.144
圖 6.9 應用層的溝通
歐亞書局
p.145
應用層位址
當客戶端對伺服器送一個請求時，客戶端必須事先知道伺服
器應用層的位址。為了識別一個特定的 HTTP 網站，客戶端
使用一個通用資源定位器（Uniform Resource Locator；URL）。
伺服器的應用層位址不是為了傳遞訊息，它只是用來找出伺
服器的真正位址。
應用層位址可以幫客戶端找到在網際網路上伺服器的實體位
址。每台電腦在網際網路上都有一個位址，我們稱為邏輯位
址或 IP 位址。
伺服器應用層位址可以幫客戶端找到伺服器電腦上的 IP 位址
（IP address）。客戶端行程應當事先已經知道網域名稱伺服
器（domain name server；DNS）。
歐亞書局
p.146
圖 6.10 在應用層的位址
歐亞書局
p.146
傳輸層
傳輸層（transport layer）需負責所有訊息的行程對行程傳遞
（process-to-process delivery）：邏輯的通訊是由客戶端和伺
服器的傳輸層所建立。
傳輸層負責為客戶和伺服器之間的訊息進行邏輯性傳輸。
伺服器電腦可能同時間執行好幾個行程，當訊息到達伺服器，
訊息就會被指派到正確的行程。為了讓伺服器行程得以確定，
就需要用另一個位址，稱為埠號（port number）。
歐亞書局
p.146
圖 6.11 傳輸層的通訊
歐亞書局
p.147
傳輸層的責任之一就是多工（multiplexing）與解多工
（demultiplexing）。
傳輸層透過擁塞控制（congestion control）解決在實際傳輸封
包的底層網路可能會變成擁塞，這將造成網路丟棄或遺失某
些封包。
傳輸層也實現流量控制，發送站的傳輸層可以監控接收站的
傳輸層以檢查接收者沒被收到的封包淹沒。
在訊息的傳輸過程中，它會錯誤、遺失、複製或接收順序錯
亂，傳送的傳輸層負責保證目的傳輸層收到的訊息是正確的。
前面所討論的回應系統也提供錯誤控制。
歐亞書局
p.148
圖 6.12 在傳輸層的位址
歐亞書局
p.148
在 TCP/IP 通訊協定組合裡，傳輸層的通訊協定有三個設計：
UDP、TCP、SCTP。
UDP
使用者資料封包通訊協定（User Datagram Protocol；UDP）是
三個協定中最簡單的一個。UDP 採用多工與解多工方式，也
採用在封包增加檢查和的錯誤控制類型。簡單快速正是 UDP
的優點：它攜帶的額外資訊較其他協定少。一些應用程式喜
歡使用 UDP，DNS 伺服器就是個例子。
UDP 被視為是非連接式協定（connectionless protocol），因為
它不提供在單一訊息之封包間的邏輯連接。
歐亞書局
p.149
TCP
傳輸控制通訊協定（Transmission Control Protocol；TCP）是
一個支援傳輸層全部責任的協定，然而它的效率不像 UDP 那
麼快。TCP 使用序號、回應編號及檢查和，它也在傳輸者這
端使用緩衝記憶體。這些措施的結合提供了多工、解多工、
流程控制、擁塞控制和錯誤控制。
TCP 被視為連接式協定（connection-oriented protocol），因為
它提供在兩個傳輸層之間的邏輯連接。
TCP 對於資料傳輸是完美的傳輸層協定，它卻不適合用在即
時的音訊或視訊傳輸。
歐亞書局
p.149
SCTP
串流控制傳輸協定（Stream Control Transmission Protocol；
SCTP）是一個新網路服務協定。
網路層
網路層（network layer）負責來源端至目的端的封包傳遞，網
路層保證每個封包從它的起始點到達它最終的目的地。
網路層負責將個別封包從來源主機傳送到目的地主機。
網路層有一個特殊的責任：選擇路徑（routing）。選擇路徑的
意思是決定封包的部分路徑或全部路徑。選擇路徑是每個路
由器決定的。
路由器是如何更新它的路由表呢？這是由其他協定完成的，
即路由協定。路由協定送出它們擁有的訊息給網際網路上全
部的路由器來更新它們的路徑。
歐亞書局
p.150
圖 6.13 在網路層的位址
歐亞書局
p.150
網路層協定
在 TCP/IP 協定組合裡，網路層的主要協定是網際網路協定
（Internet Protocol；IP）。世界上的每部電腦和路由器將由 32
位元的 IP 位址來識別，此 IP 位址以點十進位記法（dotted
decimal notation）表示。這個表示法將 32 位元的位址劃分為
四個 8 位元的區塊，每個區塊以十進制 0 到 255 表示，並以
三個點來分隔區塊。
IP 提供盡力的服務（best-effort service）。它不保證封包抵達
時沒有錯誤或依寄送者想要的順序到達，甚至不保證任何封
包被傳遞：封包可能永遠遺失。
歐亞書局
p.151
圖 6.14 在網路層的選擇路徑
歐亞書局
p.152
網際網路控制訊息協定（Internet Control Message Protocol；
ICMP）可以回報來源電腦一些錯誤資訊。
資料鏈結層
從一個節點傳送到另一個節點（節點可以是一部電腦或路由
器）是由資料鏈結層（data link layer）負責。
資料鏈結層是負責點對點的資料框傳送。
歐亞書局
p.153
圖 6.15 在資料鏈結層的連接
歐亞書局
p.154
圖 6.16 在資料鏈結層的位址
歐亞書局
p.154
和 IP 位址不同，在資料鏈結層裡位址不能被通用，每個資料
鏈結層可能有不同的位址格式和大小。乙太協定（Ethernet
protocol）是現今最普遍使用的區域網路，使用 48 位元的位址，
通常寫成十六進位格式。
資料鏈結層位址通常稱作實體位址（physical addresses）或媒
體存取控制層位址（media access control (MAC) addresses）位
址。
歐亞書局
p.154
實體層
實體層（physical layer）協調著在實體媒介傳送位元串流中所
需要的函式。注意，在實體層不需要位址，其以廣播方式傳
播。只要訊號不濾除，一個裝置所送出的訊號會被與其連接
的其他裝置所接收。
圖 6.17 實體層的責任
歐亞書局
p.155
圖 6.18 在網際網路裡處理的四個層次
歐亞書局
p.156
在應用層裡，行程交換訊息；在傳輸層裡，資料的單位為一
個區段（segment；TCP）、一個使用者資料片（user datagram；
UDP）或是一個封包（packet；SCTP）；在網路層裡，資料
單位是資料片（data gram）；在資料鏈結層裡，資料單位是
資料框（frame）；最後，在實體層裡，資料單位是位元。
圖 6.19 呈現各層的另一種觀點：封裝（encapsulation）。在每
層中，標頭（header）或是尾部（trailer）可加到資料單位裡。
歐亞書局
p.156
圖 6.19 使用 TCP/IP 模型交換
歐亞書局
p.156
6.4 網際網路的應用
電子郵件
要送一封電子郵件（electronic mail；e-mail）時，會執行使用
者代理器（user agent；UA）來準備郵件訊息，然後使用一個
訊息傳送代理器（message transfer agent；MTA）將郵件送到
電子郵件伺服器上；要領取郵件時會執行另一個稱為訊息存
取代理器程式（message access agent；MAA）。
歐亞書局
p.157
圖 6.20 電子郵件架構
歐亞書局
p.158
有兩個經常被使用的電子郵件協定：一個是網路郵局協定第
三版（POP3）、另一個是網際網路郵件存取協定（IMAP）。
POP
網路郵局協定（Post Office Protocol；POP）很簡單但是功能
有限。網路郵局協定的客戶軟體安裝在接收者的電腦上，而
伺服器軟體則是安裝在電子郵件伺服器上。
IMAP
網際網路郵件存取協定（Internet Mail Access Protocol；IMAP）
具有更多的特性且能力也更複雜。
歐亞書局
p.159
一個電子郵件系統需要有唯一的定址系統來傳遞郵件，簡單
郵件傳送協定所使用的定址系統包含兩個部分：區域部分和
網域名稱，兩者之間用＠符號做為區隔。
區域部分定義使用者信箱的名稱，亦即用來存放使用者郵件
的地方。
位址的第二部分是對應某個網址的名稱。一個組織經常有多
個主機來送收電子郵件，指定給每個郵件伺服器的網域名稱
（domain name）是來自一個通用的命名系統稱為網域命名系
統。
歐亞書局
p.160
圖 6.21 電子郵件位址的組成
歐亞書局
p.160
多功能網際網路郵件擴展
多功能網際網路郵件擴展（Multipurpose Internet Mail
Extension；MIME）是一個增補的協定，讓非 ASCII 字元資料
能夠透過 SMTP 來傳輸。MIME 並不是一個協定，因此不能
取代 SMTP，它只是 SMTP 的延伸。
可將 MIME 視為一套可將非 ASCII 資料轉為 ASCII 資料以及
反轉的軟體。
歐亞書局
p.160
圖 6.22 多功能網際網路郵件擴展
歐亞書局
p.160
檔案傳輸協定
檔案傳輸協定（File Transfer Protocol；FTP）是一種標準機制，
用來執行網際網路上最普遍的工作之一，即從一部電腦拷貝
一個檔案至另一部電腦。
FTP 不同於其他客戶─伺服器應用程式的地方在於它需要建立
兩條連線。一條用來傳輸資料，另一條用來傳輸控制資訊
（命令與回應）。
檔案傳輸協定的基本模型。客戶有三個組成單元：使用者介
面、客戶控制行程和客戶資料傳輸行程。伺服器則有兩個組
成單元：伺服器行程和伺服器資料傳輸行程。控制連線是建
立在兩邊的控制行程之間，而資料連線則是建立於兩邊的資
料傳輸行程之間。
歐亞書局
p.161
圖 6.23 檔案傳輸協定
歐亞書局
p.161
關閉和開啟 FTP
執行 FTP 伺服器程式以允許使用者存取檔案的機器會採用兩
種不同的策略：對大眾關閉或者開啟。一個關閉的 FTP 伺服
器只允許特定的使用者存取檔案。檔案的存取則是以帳號和
密碼來控制，而一般人則是不允許存取該機器的檔案。
一個開啟的 FTP 伺服器則允許任何人存取檔案，此機器通常
提供匿名的 FTP（anonymous FTP）。使用者用 anonymous 為
帳號名稱及以 guest 為密碼。
歐亞書局
p.162
使用者登入至本地端的分時共享系統，稱為本地登入（local
login）。
遠地登入（remote login）的機制不像本地登入一樣簡單，作
業系統可能對於特殊字元賦予特別的意義，因為終端機模擬
程式或驅動程式知道每一個字元和組合的真正意義，但是在
遠地登入下可能會產生問題。例如：哪一個行程應該負責解
釋這些特殊的字元？是客戶還是伺服器？
歐亞書局
p.162
圖 6.24 本地登入
歐亞書局
p.163
圖 6.25 遠地登入
歐亞書局
p.163
全球資訊網
全球資訊網（World Wide Web）或者 the Web 是一個儲藏全球
連結資訊的地方。
全球資訊網使用了超文件（hypertext）與超媒體（hypermedia）
的概念。在超文件的環境中，資訊是一個文件的集合，這些
文件以連結的方式結合在一起，一個項目可以連結關聯到另
一個文件。
在全球資訊網上，一個超文件或超媒體的單元被稱為網頁
（page）。一個組織或個人的主要網頁或根網頁被稱為首頁
（home page）。
歐亞書局
p.164
圖 6.26 超文件
歐亞書局
p.164
為了要使用全球資訊網，我們需要三個單元：瀏覽器、網站
伺服器以及超文件傳輸協定（HTTP）。
通常一個瀏覽器包含三個單元：控制器、客戶程式以及多個
解譯器。
伺服器存放屬於該網站的所有網頁。
超文件傳輸協定（Hypertext Transfer Protocol；HTTP）是用來
在全球資訊網上存取資料的協定。這個協定以純文字的方式
來傳輸資料、超文件、聲音、影像等。
歐亞書局
p.165
圖 6.27 瀏覽器架構
歐亞書局
p.165
圖 6.28 HTTP 交易
歐亞書局
p.166
位址
客戶要求存取檔案必須知道檔案所在的位址，為了讓存取分
散於世界的檔案變得容易，HTTP 使用定址器（locators）的觀
念。通用資源定址器（uniform resource locator；URL）是網際
網路上用來指定任何種類資訊的標準，通用資源定址器定義
了四件事：方法、主機、埠號和路徑。
方法是指用來擷取文件的協定，例如：HTTP。
歐亞書局
p.166
圖 6.29 通用資源定址器的結構
歐亞書局
p.166
在全球資訊網上的文件可以分為三類：靜態、動態和主動，
這樣的分類是基於決定文件內容的時機。靜態文件（static
documents）是內容固定的文件，一旦產生以及存放在伺服器
就不會改變。
超文件標記語言（Hypertext Markup Language；HTML）是用
來產生網頁的語言。
一個網頁是由標頭和正文兩部分組成，標頭是網頁的第一個
部分，包含有網頁的標題以及瀏覽器使用的參數。網頁的內
容則是在正文裡面，其中包含本文和標籤。另一個有趣的標
籤分類是圖片標籤。第三類標籤為連結文件的超連結標籤。
歐亞書局
p.167
歐亞書局
圖 6.30 HTML 範例
p.168
超文件標記語言增加了對文件格式化的能力，但是沒有定義
資料型態的能力。可擴充標示語言（Extensible Markup
Language；XML）則是一種程式語言，其標籤可用來定義兩
個標籤間的項目型態。為何我們需要在網頁裡定義資料的型
態？其中一個原因是讓搜尋容易一點。
XML 允許不同組織去定義屬於它們自己的應用。
歐亞書局
p.168
圖 6.31 HTML 和 XML 的比較
歐亞書局
p.169
一個動態文件（dynamic documents）則是當瀏覽器要求文件
時由網頁伺服器所產生。
共用閘道介面（Common Gateway Interface；CGI）是一種用
來產生和處理動態文件的技術。CGI 是一種標準，用來定義
如何撰寫動態文件、如何輸入資料給程式與如何使用程式的
輸出。
能夠在客戶端執行一個程式或描述，稱為主動式文件（active
documents）。當瀏覽器要求一個主動式文件時，伺服器會傳
送一份文件或描述的拷貝給客戶，然後該文件則在客戶端的
瀏覽器控制下執行。
歐亞書局
p.169
其他網際網路應用
視訊會議（videoconferencing；有時稱為桌上視訊會議）藉由
提供兩組或多組參與者之間的通訊，可以減少旅行的開銷以
及節省時間和精力。
郵遞論壇伺服器（listservs），允許一組使用者討論感興趣的
話題。
聊天（chat）是一個即時的應用，如同視訊會議一樣，兩個或
者多個人參與文字（或者選擇聲音與影像）的交換。
歐亞書局
p.171
5.5 程式之執行
在今日，通用型計算機使用一組指令稱為程式來處理資料。
計算機執行程式以便從輸入的資料產生出輸出的資料，程式
與資料兩者均儲存在記憶體之中。
CPU 使用重複的機器週期（machine cycles）來執行程式中的
指令，一個接一個地從開始到結束。一個簡化的週期由三個
階段所組成：擷取、解碼和執行。
在擷取（fetch）的階段中，控制單元命令系統複製下一個指
令到 CPU 的指令暫存器中，要被複製指令的位址是存在程式
計數器中。在複製之後，程式計數器會遞增以便指到記憶體
中的下一個指令。
歐亞書局
p.117
CPU 的運作必須以某種方法與輸入∕輸出設備達到同步。已經
有三種方法被設計來達成同步：程式化 I/O、中斷驅動 I/O 及
直接記憶存取（DMA）。
程式化 I/O
在程式化 I/O（programmed I/O）的方法中，同步是非常簡單
的。I/O 設備與 CPU 之間的資料傳送是由程式中的指令所完
成，當 CPU 執行一個 I/O 指令，直到資料傳送完成之前 CPU
不作任何動作。CPU 經常地檢查 I/O 設備的狀態：如果設備
已經準備好傳送，則資料就傳送到 CPU。
歐亞書局
p.118
圖 5.20 程式化 I/O
歐亞書局
p.118
中斷驅動 I/O
在中斷驅動 I/O（interrupt-driven I/O）的方法中，CPU 通知
I/O 設備即將發生資料傳送，當 I/O 設備已準備好時會通知
（中斷）CPU。
在此方法之中，CPU 時間未被浪費掉──當慢速 I/O 設備正在
完成工作期間，CPU 能夠執行其他工作。
歐亞書局
p.118
圖 5.21 中斷驅動 I/O
歐亞書局
p.119
直接記憶體存取
第三個傳輸資料的方法是直接記憶體存取（direct memory
access；DMA）。此方法直接傳輸一大區塊的資料於高速 I/O
設備，例如磁碟和記憶體之間，而且資料傳輸不經過 CPU，
這需要一個 DMA 控制器來減輕 CPU的某些功能。DMA 控制
器具有暫存器，以便在記憶體傳輸之前與之後保存一個區塊
的資料。
使用此方法做一個 I/O 動作，CPU 要傳送一個信息給 DMA。
此信息包含有傳輸類型（輸入或輸出）、記憶體位置之起始
位址，和要傳輸的位元組數目，然後 CPU 可以做其他工作。
歐亞書局
p.119
圖 5.22 DMA 連接到一般匯流排
歐亞書局
p.120
圖 5.23 DMA 輸入∕輸出
歐亞書局
p.120
5.6 兩種不同的架構
CISC
CISC（發音 sisk）表示複雜指令集電腦（complex instruction
set computer；CISC）。CISC 具有一個大的指令集，包括複雜
的指令。在 CISC 電腦上撰寫程式比在其他設計的電腦要容易
得多，因為對於簡單或複雜的工作都只要一個指令即可。
指令集的複雜度造成了 CPU 的電路及控制單元非常複雜。
CISC 架構的設計者已經找出解決方法來降低其複雜度：程式
規劃分兩個階段完成。
歐亞書局
p.121
CPU 只執行簡單的微運算（microoperation），一個複雜指令
先轉換成一組簡單的微運算，再由 CPU 加以執行。因此需要
增加一個特殊記憶體稱為微記憶體（micromemory），以保存
指令集中每一個複雜指令的一組微運算。這種使用微運算的
程式規劃的形式稱為微程式規劃（microprogramming）。
CISC 架構的缺點之一是微程式規劃所需的額外時間與存取微
記憶體的時間。
歐亞書局
p.121
RISC
RISC（發音 risk）表示精簡指令集電腦（reduced instruction
set computer；RISC）。RISC 背後的策略是要具有一個小的指
令集以便執行最少數目的簡單運算，而複雜指令是用簡單指
令的子集合加以模擬。
在 RISC 電腦上撰寫程式比在另一種設計的電腦要更加困難以
及更加耗時，因為大部分的複雜指令是用簡單指令模擬得到
的。
歐亞書局
p.121
管線處理
現代的計算機使用一種稱為管線處理（pipelining）的技術來
增進其產量（throughput；單位時間內所執行指令的總數量）。
這個想法是基於如果控制單元能夠同時執行二或三個階段，
則下一指令可以在前一指令完成之前就開始執行。
圖 5.24b 顯示管線處理如何能夠增進計算機的產量，第一個計
算機在特定期間內平均要執行 9 個階段，而管線化的計算機
在相同的時間內可以執行 24 個階段。如果假設每個階段使用
相同的時間量，則第一個計算機完成了 9/3 = 3 個指令，而第
二個計算機完成了 24/3 = 8 個指令，產量因而增加了 8/3 或
266%。
歐亞書局
p.121
圖 5.24 管線處理
歐亞書局
p.122
管線處理存在有一些問題，例如遇到跳躍指令時。在這個情
況，管線中的指令應該要丟棄，但是，新的計算機設計已經
克服大部分的缺點，有些新的 CPU 設計甚至能夠同時做數個
擷取週期。
平行處理
一部計算機具有多重控制單元、多重算術邏輯單元和多重記
憶體單元，這個想法稱為平行處理（parallel processing）。
平行處理的概觀是由 M. J. Flynn 所提出的分類。根據 Flynn
的觀點，平行處理可能發生在資料流、指令流或兩者皆是。
歐亞書局
p.122
圖 5.25 計算機組織之分類
歐亞書局
p.122
SISD 組織
單一指令流，單一資料流（single instruction-stream, single
data-stream；SISD）組織表示計算機只有一個控制單元、一個
算術邏輯單元和一個記憶體單元。指令依序地執行而且每個
指令可以存取資料流中一個或多個資料項。
SIMD 組織
單一指令流，多重資料流（single instruction-stream, multiple
data-stream；SIMD）組織表示計算機有一個控制單元、多重
處理單元和一個記憶體單元。所有的處理單元接受來自控制
單元的相同指令，但是對不同的資料項做運算，同時對一個
陣列的資料做運算之陣列處理器就是屬於此類。
歐亞書局
p.123
圖 5.26 SISD 組織
歐亞書局
p.123
圖 5.27 SIMD 組織
歐亞書局
p.123
MISD 組織
多重指令流，單一資料流（multiple instruction-stream, single
data-stream；MISD）組織是有多個指令分別屬於多個不同的
指令流，同時對同一個資料流做運算。MISD 的概念從未曾被
實作過。
MIMD 組織
多重指令流， 多重資料流（multiple instruction-stream,
multiple data-stream；MIMD）組織表示有多個指令分別屬於
不同的多個指令流，同時對多個資料流做運算（一個指令對
一個資料流）。在此結構中數項工作可同時被執行，此結構
可使用單一共享記憶體或是多重記憶體區。
歐亞書局
p.123
圖 5.28 MISD 組織
歐亞書局
p.124
圖 5.29 MIMD 組織
歐亞書局
p.124
5.7 簡單的計算機
要解釋計算機的結構和它們的指令處理，我們介紹一個簡單
（非實際存在）的計算機，如圖 5.30 所示。此簡單計算機有
三個組成元件：CPU、記憶體和輸入∕輸出子系統。
CPU
CPU 本身被區分成三部分：資料暫存器、算術邏輯單元
（ALU）和控制單元。
資料暫存器
有 16 個具有十六進位位址 (0, 1, 2, ⋯, F)16 的 16 位元資料暫存
器，稱為 R0 至 R15。
歐亞書局
p.124
圖 5.30 簡單計算機的組成元件
歐亞書局
p.125
控制單元
控制單元有控制 ALU 運算、存取記憶體和存取 I/O 子系統的
電路。它還有兩個專屬的暫存器：程式計數器和指令暫存器。
程式計數器（program counter；PC）只能保存 8 個位元，負責
追蹤下一個要執行的是哪個指令。在每一個機器週期之後，
程式計數器會遞增 1 以指到下一個程式指令。指令暫存器
（instruction register；IR）保存一個 16 位元的值，其為目前
週期之編碼過的指令。
歐亞書局
p.125
主記憶體
主記憶體有 256 個 16 位元的記憶體位置，其二進位位址為
(00000000 到 11111101)2 或十六進位位址 (00 到 FD)16，主記
憶體保存資料與程式指令，前 64 個位置 (00 到 3F)16 是專屬於
程式指令，記憶體位置 (40 到 FD)16 是用於儲存資料。
輸入∕輸出子系統
此子系統由一個鍵盤和螢幕所組成，但該子系統仍像是部分
的記憶體位址。鍵盤（輸入設備）和螢幕（唯一輸出設備）
運作就像分別的記憶體位置 (FE)16 和 (FF)16。
歐亞書局
p.126
指令集
簡單計算機擁有 16 個指令的集合，每個計算機指令由兩個部
分組成：運算碼（opcode）與運算元（operand）。運算碼指
明要執行於運算元之運算類型，每個指令由 16 個位元區分成
四個 4 位元的欄位所組成。最左邊欄位包含運算碼而其他三
個欄位包含運算元或運算元的位址。
並非所有的指令都需要三個運算元，任何不需要的運算元欄
位填入 (0)16。暫停指令的三個運算元欄位，和移動指令及
NOT 指令的最後欄位，都填 (0)16。
歐亞書局
p.126
圖 5.31 格式與不同指令類型
歐亞書局
p.126
表 5.4 簡單計算機指令之列表
歐亞書局
p.127
有兩個加法指令： 一個是整數加法（ADDI） 與一個是浮點
數加法（ADDF）。
ROTATE 指令的第三個欄位為 0，則此指令將暫存器 R 中的
位元樣式向右旋轉 n 個位置；如果第三個欄位為 1，則向左旋
轉。指令中也包含了遞增（INC）和遞減（DEC）指令。
歐亞書局
p.127
處理指令
簡單計算機也使用機器週期的概念。一個週期由三個階段組
成：擷取、解碼和執行。在擷取階段期間，由 PC 決定位址的
指令從記憶體中取得並且載入到 IR 中，然後 PC 遞增以指到
下一個指令。
在解碼階段期間，IR 中的指令被解碼並且從暫存器或記憶體
中擷取所需要的運算元。在執行階段期間，指令被執行並且
結果被放到適當的記憶體位置或暫存器中。一旦第三個階段
完成後，控制單元會再度開始此一週期，但此時 PC 指在下一
個指令。此一過程會持續直到 CPU 遇到 HALT 指令為止。
歐亞書局
p.127
一個範例
簡單計算機如何將兩個整數 A 和 B 相加並且產生結果 C。假
設整數為 2 補數格式，此運算為：
要完成這簡單加法的簡單程式需要五個指令，如下所示：
1. 載入 M40 的內容到暫存器 R0（R0 ← M40）。
2. 載入 M41 的內容到暫存器 R1（R1 ← M41）。
3. R0 和 R1 的內容相加且結果放到 R2（R2 ← R0 + R1）。
4. 儲存 R2 的內容到 M42（M42 ← R2）。
5. 停止。
歐亞書局
p.128
在簡單計算機的語言中，這五個指令可編碼為：
歐亞書局
p.128
週期 1
在第一週期的開始，PC 指到程式的第一個指令，其位於記憶
體位置 (00)16。控制單元經過三個步驟：
1. 控制單元擷取儲存於記憶體位置 (00)16 的指令，並放置於
IR 中。此步驟之後，PC 值遞增。
2. 控制單元解碼指令 (1040)16 為 R0 ← M40。
3. 控制單元執行指令。
歐亞書局
p.129
圖 5.32 週期 1 之狀態
歐亞書局
p.129
週期 2
在第二週期的開始控制單元經過三個步驟：
1. 控制單元擷取儲存於記憶體位置 (01)16 的指令，並放置於
IR 中。此步驟之後，PC 值遞增。
2. 控制單元解碼指令 (1141)16 為 R1 ← M41。
3. 控制單元執行指令。
歐亞書局
p.129
圖 5.33 週期 2 之狀態
歐亞書局
p.130
週期 3
在第三週期的開始控制單元經過三個步驟：
1. 控制單元擷取儲存於記憶體位置 (02)16 的指令，並放置於
IR 中。此步驟之後，PC 值遞增。
2. 控制單元解碼指令 (3201)16 為 R2 ← R0 + R1。
3. 控制單元執行指令。
歐亞書局
p.130
圖 5.34 週期 3 之狀態
歐亞書局
p.131
週期 4
控制單元經過三個步驟：
1. 控制單元擷取儲存於記憶體位置 (03)16 的指令，並放置於
IR 中。此步驟之後，PC 值遞增。
2. 控制單元解碼指令 (2422)16 為 M42 ← R2。
3. 控制單元執行指令。
歐亞書局
p.130
圖 5.35 週期 4 之狀態
歐亞書局
p.131
週期 5
控制單元經過三個步驟：
1. 控制單元擷取儲存於記憶體位置 (04)16 的指令，並放置於
IR 中。此步驟之後，PC 值遞增。
2. 控制單元解碼指令 (0000)16 為 Halt。
3. 控制單元執行指令，這表示計算機停止。
歐亞書局
p.132
圖 5.36 週期 5 之狀態
歐亞書局
p.132
另一個範例
在實際的情況中，使用輸入設備例如鍵盤將前兩個整數鍵入
記憶體中；而透過輸出設備例如螢幕來顯示第三個整數。藉
由輸入設備來取得資料通常稱為讀取（read）運算；而將資料
送至輸出設備通常稱為寫出（write）運算。欲使之前的程式
更為實際，則需修改如下：
1. 讀取一個整數到 M40。
2. R0 ← M40。
3. 讀取一個整數到 M41。
4. R1 ← M41。
歐亞書局
p.132
5. R2 ← R0 + R1。
6. M42 ← R2。
7. 從 M42 將整數寫出。
8. 停止。
在此計算機中可以使用 LOAD 和 STORE 指令來模擬讀取和
寫出運算。讀取運算為：
R ← MFE
M←R
因為鍵盤假設為記憶體位置 (FE)16
寫出運算為：
R←M
MFF ← R 因為螢幕假設為記憶體位置 (FF)16
歐亞書局
p.133