中央处理器CPU电脑内部是怎麽运作.ppt
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1、中央處理器中央處理器(CPU)電腦內部是怎麼運作的第四章第四章學習目的學習目的n n講解中央處理器的各個組成元件,說明他們彼講解中央處理器的各個組成元件,說明他們彼此間如何運作以及與記憶體的溝通此間如何運作以及與記憶體的溝通n n描述電腦如何執行程式指令描述電腦如何執行程式指令n n解釋電腦如何表示資料解釋電腦如何表示資料n n描述電腦如何找到指令和資料描述電腦如何找到指令和資料n n講解微電腦系統單元上的主機板的各個元件講解微電腦系統單元上的主機板的各個元件n n明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法方法 內容內容n nCPUCPUn n儲存體類
2、型儲存體類型n n執行程式執行程式n n在記憶體中尋找資料在記憶體中尋找資料n n系統單元系統單元n n微處理器微處理器n n半導體記憶體半導體記憶體n n匯流排匯流排n n速度和能力速度和能力CPUCPUn n將資料轉換成資訊n n控制中心n n執行儲存在記憶體中程式指令的一組電路n n分成兩個主要部分控制單元控制單元(CU)(CU)算術邏輯單元算術邏輯單元 (ALU)(ALU)控制單元控制單元 CU(Control Unit)n n硬體的一部分,負責控制n n指示電腦系統執行程式指令n n負責與硬體其它部分的溝通算術邏輯單元算術邏輯單元ALU(Arithmetic/Logic Unit)負
3、責執行算術運算動作負責執行邏輯運算動作算術運算算術運算加法減法乘法除法邏輯運邏輯運算算n n評估條件值n n進行比較n n可以比較數字數字字母字母特別字元特別字元暫存器各有特殊的用途速度快是個暫時存放的地方 位於 CPU 中指令暫存器儲存目前正在執行的指令資料暫存器儲存正等著被處理的資料儲存處理過後的結果儲存體類型n n輔助儲存體儲存以後要用到的資料儲存以後要用到的資料長期儲存長期儲存n n記憶體儲存最近要使用的資料儲存最近要使用的資料暫時儲存暫時儲存存取速度比輔助儲存體快存取速度比輔助儲存體快n n暫存器儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料儲存與目前正在執行的指令立即相關的資料存取速度記憶
4、體快存取速度記憶體快儲存體容量的測量單位KB kilobyte1024 1024 個位元組個位元組有些磁片有些磁片快取記憶體快取記憶體MB megabyte約百萬個位元組約百萬個位元組RAMRAMGB gigabyte約十億個位元組約十億個位元組硬碟硬碟CD CD 和和 DVD DVDTB terabytes約一兆個位元組約一兆個位元組大型硬碟大型硬碟記憶體它有許多名稱主要儲存體(primary storage)Primary memoryMain storageInternal storage主記憶體(Main memory)記憶體的主要類型RAM隨機存取記憶體(Random Access
5、Memory)ROM唯讀記憶體(Read Only Memory)RAMn n需要電流才能保持資料n n揮發性(Volatile)n n可以讀取及修改裡面的指令和資料n n使用者通常是指這種記憶體RAM 裡有什麼?n n作業系統n n目前正在執行中的程式n n上述程式需要的資料n n等著要輸出的中間結果ROMn n非揮發性(Non-volatile)n n負責開機的指令n n裡面的指令和資料可以讀取,但不能修改n n這些指令通常是在工廠裡燒錄進去的執行程式執行程式n nCU CU 擷取指令放進記憶擷取指令放進記憶體中體中n nCU CU 將此指令解碼將此指令解碼 n nCU CU 通知硬體相關
6、部分通知硬體相關部分準備採取行動準備採取行動n n將控制權轉移到硬體的將控制權轉移到硬體的相關部分相關部分n n執行工作執行工作n n控制權回到控制權回到 CUCU機器循環週期機器循環週期I-timen nCU CU 從記憶體中擷取從記憶體中擷取 (fetch)(fetch)指令,然後放指令,然後放進暫存器中進暫存器中n nCUCU 將此指令解碼將此指令解碼 (decode)(decode),並決定所,並決定所需要的資料在記憶體中需要的資料在記憶體中的位置的位置機器循環週期機器循環週期E-timen n執行執行CU CU 將資料從記憶體搬移到將資料從記憶體搬移到 ALU ALU 內的暫存器中內
7、的暫存器中由由 ALU ALU 負責控制與執行指令負責控制與執行指令控制權回到控制權回到 CUCUn nCU CU 將運算後的結果存放在記憶體或暫存器中將運算後的結果存放在記憶體或暫存器中系統時鐘系統時鐘n n系統時鐘以固定的速率製造脈波n n每個脈波就是一個機器循環週期n n一個程式指令可能是由一串給 CPU 的小指令所組成n n每一個 CPU 指令至少必須要花一個脈波才能完成n 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在記憶體中尋找資料在記憶體中尋找資料n n記憶體中的每個位置都會被標示一個獨一無二記憶體中的每個位置都會被標示一個獨一無二的位址的位址 (addre
8、ss)(address)位址不會改變位址不會改變 內容可能會改變內容可能會改變n n每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料n n程式設計師會使用符號位址程式設計師會使用符號位址資料表示法資料表示法開/關(On/Off)使用二進位系統來表示電路的狀態位元、位元組、字組位元、位元組、字組n n位元(BIT)BIT)Binary DigITBinary DigIT 電路開或關電路開或關 (On/off)(On/off)1 1 或或 0 0n n位元組(BYTE)8 8 個個 bitbit 每一個位元組可儲存一個字元每一個位元組可儲存一個字元n n字組(WOR
9、D)暫存器的大小暫存器的大小 CPUCPU在處理時當做一個單位的位元個數在處理時當做一個單位的位元個數編碼機制編碼機制n nASCIIASCII 使用一個包含使用一個包含8 8個位元的位元組個位元的位元組 2 28 8=256 =256 種可能的組合或字元種可能的組合或字元 用在幾乎所有的用在幾乎所有的 PC PC 和許多較大型的電腦和許多較大型的電腦n nEBCDICEBCDIC 使用一個包含使用一個包含8 8個位元的位元組個位元的位元組 2 28 8=256=256種可能的組合或字元種可能的組合或字元 主要用在主要用在 IBM IBM 相容的大型主機相容的大型主機n nUnicodeUni
10、code 使用兩個包含使用兩個包含8 8個位元的位元組個位元的位元組 (16(16 個位元個位元)2 21616=65,536 =65,536 種可能的組合或字元種可能的組合或字元 可支援世界上所有語言所需要的字可支援世界上所有語言所需要的字 與與 ASCII ASCII 回溯相容回溯相容系統單元系統單元黑盒子n n放置電腦元件放置電腦元件 主機板主機板 儲存設備儲存設備 連線連線n n有些有些Apple MacintoshApple Macintosh電腦則是把系統單元放在電腦則是把系統單元放在螢幕外殼裡螢幕外殼裡系統單元系統單元黑盒子主機板包含n n微處理器晶片微處理器晶片n n記憶體晶片
11、記憶體晶片n n與其它硬體部分的連線與其它硬體部分的連線n n其它可能加入的晶片其它可能加入的晶片 如如數學輔助處理器數學輔助處理器系統單元系統單元黑盒子儲存設備儲存設備硬碟機硬碟機軟軟碟機碟機CD-ROM CD-ROM 光光碟機碟機DVD-ROMDVD-ROM光光碟機碟機微處理器微處理器n nCPU 是蝕刻在一個晶片上n n晶片大小是 x 吋n n由矽元素組成n n包含數百萬個電晶體它是可控制電流通過的電子閘門它是可控制電流通過的電子閘門微處理器的組成元件微處理器的組成元件n n控制單元 CUn n算術邏輯單元 ALUn n暫存器n n系統時鐘發明出更好的微處理器發明出更好的微處理器n n將
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