计算机的概念与技术

1、第一章 計算機的概念與技術,和春技術學院 資工系 李鴻鵬,2,學習目標,瞭解組成電腦的五大基本單元(中央處理器、輸出輸入、資料路徑、記憶體和控制單元) 瞭解電腦的基本工作分類 瞭解電腦的程式運作(由高階程式語言到硬體的實際執行) 瞭解電腦的核心微處理器(中央處理器)的發展進程 瞭解電腦的週邊設備和網路基本架構,3,第一節 電腦基本組成,第一代電腦：話說在1940年代二次世界大戰的時候，美軍為了計算砲彈發射後的彈道，特別商請在賓州大學(University of Pennelsivia)任教的Mauchly博士和研究生Eckert設計彈道計算機(也就是第一代的電腦)，當時使用了18,800顆真空

2、管的電子元件，當時完成的計算機每秒鐘只能做300多個乘法的計算，這部計算機的體積很龐大，大概有15公尺長、9公尺寬，總重量近30公噸，除了體積龐大，因為真空管容易燒壞，所以使用上並不方便。,4,第二代電腦：1948年由美國貝爾實驗室(Bell Laboratory)三位科學家Ardeen、Brattain和Shockley共同發明了電晶體，並促進第二代電腦(TX-0)的發展，使得電腦的朝體積更小、重量更輕且計算能力更快，當時完成的電腦使用約800顆的電晶體，此時高階程式語言也跟著開發完成了。 第三代電腦：在1959年，美國德州儀器和Fairchild半導體公司成功開發出積體電路(IC，Inte

3、rgrated Circuit)，其後在1964年IBM公司便使用積體電路開發出第三代電腦(SYSTEM-360型) 。,5,第四代電腦：也就是眾所周知的在個人電腦（PC，Personal Computer），它是在1975年超大型積體電路（VLSI，Very Large Sacle Intergrated Circuit）問市以後開發完成的，當時小小的一片積體電路晶片裡頭就有數萬個電子元件，除了體積大幅縮小外，它的計算(或運算)速度增快了數千倍，時至今日，在IC製程奈米化的科技發展下，未來的個人電腦應該是每個人都可以一手掌握(體積比手掌還小)的。,6,電腦基本組成,中央處理器(CPU，Cen

4、tral Process Unit)：為電腦的核心，就像人類的大腦，為控制電腦運作最重要的部分。 輸入單元/輸出單元 記憶體 資料路徑 控制單元,7,8,典型的處理器與輸出入裝置示意圖,9,記憶體(memory) (1/3),一般區分為揮發性和非揮發性記憶體，其中揮發性記憶體只在電腦處於開機狀態下才存在，非揮發性記憶體在開、關機狀態下都存在，如光碟或磁碟 主記憶體（Primary Memory）：揮發性記憶體，主要功能為儲存執行中的程式，多由動態隨機存取記憶體組成。 次記憶體（Secondary Memory）：非揮發性記憶體，儲存非執行中的程式。,10,記憶體(memory) (2/3),唯

5、讀記憶體（ROM，Read only Memory）：僅能提供資料讀取，不能做為資料寫入，主要儲存不會更動的電腦基本設定資料。 快取記憶體（Cache Memory）：儲存較常讀取的應用程式、指令或資料的記憶體。 動態隨機存取記憶體（DRAM，Dynamic random access memory）：須重複使用外部更新電路進行讀取與寫入程序，以防止電荷消失，避免資料因而遺失 靜態隨機存取記憶體（SRAM，Static random access memory）：較接近微處理器階層的記憶體多由靜態隨機存取記憶體組成，SRAM是由多顆電晶體組成,11,動態隨機存取記憶體的基本電路,靜態隨機存取記

6、憶體的基本電路,記憶體(memory) (3/3),12,暫存器 (1/2),程式計數器(PC，program counter)：儲存CPU所要執行的程式的記憶體位址，雖然PC是以每次累加1計算，然位址的計算一般是以4為1單位並採16進位；如目前讀取0040位址的指令，若沒有其他跳躍或特殊設計，接下來應按次序讀取0044、0048、004C、0050 指令暫存器 (IR，instruction register)：儲存CPU所要執行的指令。 堆疊指標器(SP，stack pointer)：儲存CPU目前使用的堆疊位址。,13,暫存器 (2/2),記憶體位址暫存器(MAR，memory addr

7、ess register)：儲存CPU所要存取(或使用來存取資料)的記憶體的位址。 記憶體資料暫存器(MDR，memory data register)：儲存CPU所要存取的資料所對應的記憶體位址 分頁位址暫存器(PAR，page address register，呼叫位址暫存器)：儲存CPU所要存取記憶體資料的位址。 累加器(AC，Accumulator),14,N位元的暫存器的範例,一般暫存器多由正反器(flip-flop)邏輯電路所組成，下圖為一個典型的N位元的暫存器的範例(使用正反器組成暫存器),15,資料路徑,執行某項程式，必須先讀取程式中的指令，並根據指令的執行順序，依序的讀取、計

8、算或儲存相關資料，這些處理所經過的程序即是資料路徑,16,匯流排 (1/2),位址匯流排(Address Bus)：傳送處理器要存取的資料的位址；位址匯流排的大小(多少條平行傳送的排線或位址線)是決定中央處理單元工作量的關鍵因素，例如一個位址匯流排連接L個位址線，它所提供的對應位址為02L-1(也就是說可以標定的位址數量有2L，換句話說，記憶容量等於2L),17,資料匯流排(Data Bus)：傳送處理器要存取的資料；資料匯流排有多少條平行線，該數量就是中央處理單元在一個時脈週期時間可以存取資料的數量，其基本單位通常以字組WORD來表示，現行俗稱64位元的電腦，就是中央處理單元所連接(可以處理

9、)的資料匯流排有64條平行的資料線(也就是說X位元電腦有X條資料匯流排線) 控制匯流排(Control Bus)：傳送處理器要執行的控制指令或狀態訊號等所使用的匯流排線,匯流排 (2/2),18,資料傳送的方法 串列傳輸,按位元次序，依序逐一傳送，即每次傳送一個位元。例如：擬傳送之資料依序為11010001，且8位元移位暫存器中沒有資料，則：,19,資料傳送的方法 並列傳輸,每次傳送N個位元。例如：擬傳送之資料依序為11010001，且4位元移位暫存器中沒有資料，則：,20,MIPS系統資料路徑圖,21,控制單元,電腦中執行程式擷取(IF,instruction fetch)、解碼(decod

10、e)和協調各單元依指令執行自動化處理的單元即是控制單元。,位 址,器碼解,程式計數器,輸入下一個狀態或程式計數器位址,程式碼,連接算術邏輯單元、多工器和暫存器的控制線,控制單元,22,微處理器控制單元,23,24,改進的MIPS微處理器控制單元(增加了很多條件狀態線),25,電腦內部構造,26,27,28,第二節 電腦工作分類,個人電腦：含桌上型（desktop）電腦和膝上型（laptop）電腦（俗稱筆記型電腦NB）。 工作站：功能介於個人電腦與大型電腦（或超級電腦）之間的計算機處理系統，常用的有SUN(例如SUN Ultra45工作站，可使用2顆Ultra SPARC IIIi處理器、配備1

11、6 GB記憶體和2種圖形加速卡)或HP工作站，多使用Unix或Linux作業系統，可支援特殊功能需求，如繪圖等等；然隨著個人電腦性能與功能的日益提昇，工作站逐漸被個人電腦所取代，它的未來應用和發展空間確實堪慮。 伺服器：為一群或一系列電腦之中心管理系統，伺服器可以是一台主控的個人電腦、工作站或超級電腦。,29,向量（超級）電腦：如Cray XT4超級電腦（1兆次浮點運算/cabinet）或美國與日本自行研發之超級電腦，主要提供需執行大量計算之研究機構運用，如美國國家安全總署（National Security Association）執行數以億萬計之訊號擷收、解譯與密碼破研或相關單位進行氣象（

12、地震或海嘯）資訊或太空天文資訊之擷取與分析，必須使用計算速率極高、效能強大的超級電腦進行計算與分析作業。 嵌入式電腦：如控制飛機飛行和汽車行駛之中控電腦或協助導航之GPS系統，其他類如掌上型PDA或電玩。,30,第三節 程式運作,電腦的硬體核心是中央處理單位(CPU)，軟體核心是作業系統(OS) 。 不管是高階語言程式或低階語言程式都必須經過編譯器轉譯成電腦硬體可以執行的機器語言，再交給硬體實際去操作。 作業系統好比程式和硬體間的介面，主要提供輸出/輸入、記憶體儲存分配和多重應用程式來共同分享系統所提供的服務和管理的功能。,31,程式語言,32,作業系統,批次作業系統(Batch System

13、) 多元程式作業系統(Multiprogramming System) 分時作業系統(Time Sharing System) 平行處理作業系統(Parallel System) 分散式處理作業系統(Distributed System) 即時處理作業系統(Real Time System),33,第四節 微處理器 (1/19),第一代中央處理器4位元： Intel 4004： (1)全球第1顆(也是第一代) 商用中央處理器首推英特爾(Intel)公司編號4004的CPU，1971年11月15日推出，工作時脈為740 kHz。 (2)這顆CPU是第1顆被使用在計算機系統的4位元處理器，使用2,

14、300顆10微米製程的電晶體，可以支援8位元的指令集和12位元的位址(address)運用，所提供的定址記憶體640B。 (3)當時技術仍處於萌芽階段，因為效能不夠理想導致市場使用率不高。,34,2. Intel 4040： (1)Intel 4040是1974年後所推出的加強版，使用3,000顆10微米製程的電晶體，工作時脈500kHz740 kHz。 (2)Intel 4040和Intel 4004的處理速度相同，但是Intel 4040提供了部分的改進： (3)提供雙倍的記憶體定址、中斷服務功能和14個新的指令。 (4)增加堆疊(stack)記憶空間。,微處理器 (2/19),35,第二

15、代中央處理器8位元 Intel 8008： (1)1972年推出，為全球第1顆8位元中央處理單元。 (2)使用3,500顆10微米製程的電晶體，工作時脈為500 kHz (8008-1: 800 kHz)，比Intel 4004還慢。 (3)支援16KB(位元組，byte)的記憶體。 (4)因為是8位元設計，所以整體效能略優於編號4004的處理器。,微處理器 (3/19),36,2.Intel 8080： (1)1974年推出，為編號8008 CPU的加強版，使用6,000顆6微米製程的電晶體。 (2)工作時脈為2MHz(效能為8008的10倍)。 (3)具備直接記憶體定址，支援超過七層堆疊(

16、stack)和64KB記憶體。 3.Intel 8085： (1)1976年推出，使用6,500顆3微米製程的電晶體。 (2)工作時脈為5MHz。,微處理器 (4/19),37,第三代中央處理器16位元 Intel 8086: (1)1978年推出，為個人電腦初期起飛階段的重要產品，使用29,000顆3微米製程的電晶體。 (2)工作時脈有5MHz、8MHz和10MHz三種。 (3)定址記憶體1MB。 2. Intel 8088： (1)1979年推出，使用29,000顆3微米製程電晶體。 (2)工作時脈為5MHz和8MHz。 (3)定址記憶體1MB。,微處理器 (5/19),38,3. Int

17、el 8087：主要提供浮點運算(具有加速計算的效益)。 4. Intel 80186/80188： (1)1982年推出，使用134,000顆1.5微米製程的電晶體。 (2)多用於嵌入式系統，甚少做為個人電腦的中央處理單元。除處理器外，尚包括有計時器、DMA控制器和中斷控制器。 (3)記憶體定址功能和8086/8088一樣，只有1MB記憶體。 (4)針腳數量雖然和80286相同，但仍屬8位元電腦。 (5)其他尚有AMD公司編號80186和日本NEC公司編號8085/8088(40支針腳)的中央處理單元等等。,微處理器 (6/19),39,5. Intel 80286: (1)1982年推出，

18、使用134,000顆1.5微米製程的電晶體。 (2)工作時脈有6MHz、8MHz和12.5MHz三種。 (3)可支援多工作業系統。 (4)定址記憶體16MB。 (5)算是個人電腦中最先使用的16位元處理器，其效能約為8086電腦的36倍。,微處理器 (7/19),40,微處理器 (8/19),Intel 8088,Intel 80188,Intel 80286,41,第四代中央處理器32位元：第四代32位元的微處理器所跨越的型號比較多，從386、486到Pentium序列。 Intel公司386序列的處理器有80386DX、80386SX、80376、80386SL和80386EX等。 Int

19、el公司486序列的處理器有80486DX、80486SX、80486SL、80486DX2和80486DX4等，此一序列的處理器即俗稱的486或i486 。,微處理器 (9/19),42,3. Intel公司推出的Pentium序列的微處理器橫跨十餘年，所以有好幾款具代表性的不同產品： (1)Pentium(即Pentium I或P5) ：1993年推出，亦即俗稱的586 CPU (2)Pentium Pro：1995年推出，使用2,200萬顆0.6微米製程的電晶體，Socket 8(387支針腳，SPGA封裝)插槽介面。 (3)Pentium MMX：1997年推出，P55C工作時脈為16

20、6MHz300MHz，工作電壓再進一步調降到2.8伏特(V)；使用450萬顆0.35微米製程的電晶體，採用Socket 7(296/321支針腳PGA封裝)插槽介面。,微處理器 (10/19),43,(4) Pentium II：1997年推出，主供桌上型電腦做為中央處理器使用。工作時脈提高至75MHz333MHz；使用750萬顆0.35微米(後來提昇到0.25微米)製程的電晶體。 (5) Pentium III：1999年推出，為Pentium II加強版，增加70個SIMD和SSE新指令以提供做為桌上型電腦的微處理器。工作時脈450MHz600MHz；使用950萬顆0.25微米製程IC，S

21、ocket 370插槽介面PPGA 封裝。其後推出使用2810萬顆0.18微米製程電晶體的處理器工作時脈最高可達1000MHz。,微處理器 (11/19),44,(6) Pentium IV(以IA-32為基礎的微處理器)：2000年推出，工作時脈為1.4GHz2.4GHz，此款耗電量很大（72瓦100餘瓦），因此Intel公司特別研發並增加了熱監控（Thermal Monitor）的技術來避免散熱不足造成處理器的傷害。 (7) Pentium M：2003年推出，使用7,700顆0.13微米製程電晶體，工作時脈由900MHz1.7GHz。具SIMD SSE2指令和更佳的管線化處理設計。200

22、4年再推出新款處理器，使用90奈米製程電晶體，工作時脈高達2.2GHz，其中多款使用超低工作電壓。,微處理器 (12/19),45,Pentium II Pentium III,Pentium IV Pentium 1300 Pentium M,微處理器 (13/19),46,Pentium 4的架構圖,47,微處理器 (15/19),第五代中央處理器64位元： Intel Itanium（俗稱安騰）系列：以IA-64架構為基礎的64位元微處理器，於 2001年推出，該處理器的市場定位是在於企業伺服器與高效能運算系統。該架構由HP 創始，後來則是HP與Intel共同開發。Itanium 2為2

23、002年推出，亦採IA-64架構，為植基於非常長指令字元(VLIW，very long instruction word)和平行指令計算(EPIC，Explicitly Parallel Instruction Computing)的微處理器。因具備平行處理架構(Parallel Computing Microarchitecture)，所以效能可達CISC或RISC處理器系統(同工作頻率下)的八倍。其McKinley系統屬0.18微米製程，Madison系統則為0.13微米製程，主要工作頻率為1GHz1.6GHz。,48,2. Pentium系列：Intel公司推出的雙核心處理器有Penti

24、um eXtreme Edition (簡稱 XE)和Pentium D。二款處理器的規格大致相同且均支援64位元和EIST，其中Pentium XE另可支援HT技術，因此，在Windows環境下作業有如同4顆CPU的效果，效能略優於Pentium D。 3. Pentium D Smithfield：90奈米製程，工作時脈2.66 GHz3.4GHz。 4. Pentium D Presler：2006年推出，65奈米製程，工作時脈2.8 GHz3.73GHz。,微處理器 (16/19),49,Intel微處理器,50,HT技術,HT (Hyper-Threading，超執行緒) 技術是一項

25、突破性的創新技術，能大幅提升整個企業的電腦處理器效能。Intel率先將此技術應用在伺服器專用的Intel Xeon 處理器家族，不僅能提高企業生產力，更能改善客戶的使用經驗。 HT技術現在已經延伸到含HT技術的Intel Pentium 4處理器以及支援HT技術的Intel Pentium 4筆記型電腦處理器上，以提高這些系統的效能。HT技術可以讓今日的商務電腦運算環境、應用程式和作業系統，均實現更傑出的優勢。,51,HT技術的運作方式,加快時脈速度是增強電腦運算動力的重要方式之一，而Intel向來在刷新處理器時脈速度方面獨步群雄，但光靠時脈速度是不夠的。另一個提升效能的途徑，是在每個時脈週期

26、間完成更多工作，這也就是HT 技術的關鍵。一顆含HT技術的處理器，對支援HT的作業系統及應用程式而言，會呈現為兩顆虛擬處理器。它可以同時處理兩組不同的工作，充份利用以往閒置的資源，讓您得以在相同的時間內完成更多作業，享受事半功倍的優勢。 HT技術可以發揮Windows XP及各種先進應用程式內建的多執行緒功能。支援HT軟體會將工作量分散給可單獨排程及分派的流程和執行緒。在多重處理器的系統中，這些執行緒會在不同的處理器上執行。而HT技術則是將單一Pentium 4處理器當做兩個虛擬或邏輯處理器來使用。雖然電腦中只有一顆實體的Pentium 4處理器，但卻能同時執行兩個執行緒。,52,Intel

27、Yonah雙核心處理器,Intel Core(酷睿)是個用來取代Pentium M架構的產品。它是Intel在2006年1月打造新形象時的一部分。第一款晶片的產品代號為Yonah，並於2006年1月5日發行。 Yonah為Intel第一代65奈米行動處理器的產品代號，基於包含Banias、Dothan代號的Pentium M處理架構。,53,Intel公司推出Yonah雙核心處理器,54,微處理器 (18/19),5. Intel Core 2 Duo：2006年7月推出，以Conroe為核心的雙核心處理器系統。65奈米製程，工作時脈為1.8GHz2.67GHz。增加SSSE3指令和虛擬化技術

28、(Virtualization Technology)，可支援多項作業系統。 6.Intel Core 2 Extreme：2006年7月推出雙核心型號為X6800系統，工作時脈2.9GHz。2006年11月推出四核心型號為QX6700系統，工作時脈2.66GHz。 7.Intel Core 2 Quad：2007年1月推出四核心型號為Q6600系統，工作時脈2.4GHz。,55,8. AMD公司：推出的產品主要有Athlon 64、Sempron和雙核心 Athlon 64 X2。Athlon 64主要是設計來加快讀取記憶體的速度，這款處理器已有效整合記憶體的控制單元(整合在處理器裡面)，屬

29、於90/130奈米製程產品，工作時脈為1.8GHz2.4GHz，另一款Athlon 64 FX（含-53、-55和-57）工作時脈為2.4GHz2.8GHz。,微處理器 (19/19),56,雙核心或多核心處理器 (1/2),更優異的多重任務（Multi-Tasking）執行方法來增進辦公室的產能，讓生產力達到更平順和更具有效能並且能夠密切銜接毫無縫隙的執行多重任務。 提昇數位媒體執行和展示能量：讓數位多媒體軟體系統能同時處理多個串流資料，同時可以展現更令人驚喜的高畫質視訊和使用更佳的相片剪(編)輯、數位內容編製及混入聲音等等的應用，尤其當使用現在普遍流行的多媒體軟體時，具備AMD Athlo

30、n 64 雙核心處理器的電腦將比僅使用單核心AMD Athlon 64 4000+電腦的效能和速率提昇至(最高可達)80%。,57,讓後續相關技術更新更平順並具效率：例如AMD64架構的設計優點即是允許使用者在使用雙核心處理器系統進行程式設計時可以獲得加乘的效果（猶如從地面躍起的感覺和效果），其設計原理主要是BIOS的更新，而硬體上仍延用原來單一處理器(939個接腳）的硬體結構，如此不僅節省了週邊設施的成本而同時更將過時的技術革新。,雙核心或多核心處理器 (2/2),58,中央處理單元內部的運算架構：例如處理器屬於普通純量(scalar)的設計或是採用超純量(superscalar)的設計，內

31、建快取記憶體的多寡或擷取速度，指令、資料與記憶體的讀寫設計等等 資料匯流排的多寡(亦即電腦的位元處理能力)：如處理器是Pentium Dual-core 64位元的電腦,中央處理器性能優異的關鍵因素 (1/2),59,工作處理時脈週期：處理器的工作時脈越高，相對的指令執行所需的單位時間(週期cycle)就越小，也就是說它的處理速度越快 控制記憶體的容量：處理器所能夠處理和控制記憶體的範圍有多少，例如32位元的處理器最大的記憶體容量是232等於是具有4,096MB(亦即4GByte)的記憶體處理容量 採用的IC製程：按國際目前推出市面的電腦，其IC製程已達12吋晶元(0.18m)，未來將視奈米科

32、技的發展而更精密(輕薄短小),中央處理器性能優異的關鍵因素 (2/2),60,第五節 電腦硬體及週邊裝置,有關網路系統概分如下： 依內、外網連結：網際網路（Internet）和內部網路(Intranet） 依涵概範圍區分： 個人區域網路（PAN， personal area networks） 局域網路(局部區域網路，LAN，local area networks) 都會區域網路(MAN，Metropolitan area networks) 廣域網路(大範圍的區域)網路(WAN，wide area networks),61,無線個人網路,依實體連結分為有線和無線(wireless)網路，其中

33、日益普及化的無線網路又細分為： 無線個人網路（WPAN，wireless personal area networks），使用802.15.1802.15.4通信規約(protocol），如藍芽（blue-tooth）科技和無線感測網路。,62,無線區域網路,無線區域網路（WLAN, wireless local area networks）：又稱為無線乙太網路(Wireless Ethernet)，常用的系統包括WiFi等，通訊範圍約100公尺，主要的通訊協定(protocal)有： 802.11：2.4GHz, 2Mbps 802.11a：5GHz, 54Mbps 802.11b：2.4G

34、Hz, 11Mbps 802.11e：查詢搜索 802.11f：漫遊 802.11g： 2.4GHz, 54Mbps 802.11i：安全,63,無線都會區域網路,無線都會區域網路（WMAN, wireless metropolitan area networks）：如WiMax系統，通訊涵蓋範圍達直徑50公里。 802.16和802.20：WiMax Alliance 802.16.1：空中介面系統使用1066GHz 802.16.2：Coexistence of Broadband Wireless Access Systems 802.16.3：Air Interface for Lic

35、ensed Frequencies (具執照的空載系統使用頻段為) 211GHz,64,無線大區域(大範圍)網路 (1/2),無線大區域(大範圍)網路（WWAN, wireless wide area networks）：如GSM系統 第1代類比行動電話為AMPS系統 第2代數位行動電話為GSM系統 第2.5代數位行動電話為GPRS系統 第3代數位行動電話：每歸為IMT-2000系統；歐規為UMTS和WCDMA系統 第3.5代數位行動電話為HSDPA (高速下行封包接收)系統 第3.75代數位行動電話為HSUPA (高速上行封包接收)系統,65,無線大區域(大範圍)網路 (2/2),第4代數位

36、行動電話： 國際電信聯盟ITU課正規劃言定第4代行動通訊的系統標準，其數據傳輸速率預計為100MBPS，期望能有效整合各種無限通訊的方案 (例如無線區域網路和無線廣域網路等)。 該系統將提供作為行動多媒體 (Mobile Multimedia)的應用，因此，每個人都可以隨心所欲的隨時隨地使用該系統進行行動中的通訊。 配合第4代行動通訊系統的運作，全球將建構成為沒有疆界的行動通訊環境。 該系統將保留並提供客制化的個人服務 (Customized personal service)，以利客戶植入自行研發的搭配介面或系統 (如保密器)。,66,虛擬私有網路VPN,因應通訊安全的需求，近年來虛擬私有網路(VPN，virtual priv