1.1 電腦系統介紹

電腦發展史

名稱 組成 體積 Note
1G 第一代電腦 由真空管 大 溫度高，速度慢
2G 第二代電腦 由電晶體 小 速度快，成本低，耗電低
3G 第三代電腦 由積體電路 更小 速度更快，成本更低，耗電更低
4G 第四代電腦 由超大積體電路
5G 第五代電腦 引入人工智慧技術

電腦架構

常見：范紐曼架構 Von-Neumann
特色：

  1. 採用 內儲程式 Stored Programming 概念：
    指欲執行的程式(Program)跟資料(data)必須先載入記憶體(Mem.)中，再由 CPU 從 memory 中抓取資料處理之
    • 程式：
      Def: 由指令組合之集合，永已達到某一特定任務
    • 指令：
      Instruction: 電腦最基本的執行單位，過程不可分割
      ex: 3+5 => + 是指令
  2. 循序執行 Sequential Execution:
    指令會依序一一執行
    • 圖示：

五大單元結構

補充：Von Neumann 瓶頸

說明：
在 CPU 和 Mem. 處理速度不斷上升之下，資料的傳輸速度將成為瓶頸

機器指令週期 (Machine Cycle)

Def: 為 CPU 執行一個指令所需的時間
5個步驟：

  1. Instruction Fetch (IF) 指令擷取： 從記憶體中擷取指令
  2. Decode (DE) 解碼： 針對擷取指令解碼，以了解所需運算為何
  3. Fetch Operation (FO) 擷取運算元： 從記憶體中擷取 CPU 運算所需資料
  4. Execution (EX) 執行： 針對擷取資料進行運算
  5. Write to Memory (WM) 攜回記憶體：將運算結果寫回記憶體 (反正執行一定要抓運算元)

Pipeline 管線技術

Def: 指不同指令的不同執行週期重疊執行 (Overlay execution) 謂之
目的：提升系統的執行效能 (system performance 上升)
傳統指令：

In Pipeline:

CPU 速度沒變快，只是效能提高

例：

Q: IF=3, DE=5, FO=2, EX=3, WM=2,問採 Pipeline 下, 100條指令, 所需花的總時間？
Sol:

Max(IF, DE, FO, EX, WM) = 5
(N 條指令)
公式1: 第一條指令總時間 + (N-1) * Max(各週期值) = 510
(3+5+2+3+2) + 99 * 5
(常用)
公式2: 以最大週期數算所有週期 = 520

儲存單位

  1. bit (位元) => 0 & 1 => 為最基本單位
  2. byte (位元組) byte = 8 bits
說明 Tera Giga Mega Kilo
正確 2^40 2^30 2^20 2^10
近似 10^12 10^9 10^6 10^3

容量, 儲存相關 => 2進制
速度相關 => 10 進制

匯流排

  1. 位址匯流排(Address Bus)
    • 負責傳送 CPU 所要存取的位址
    • 可決定 CPU 所能處理的記憶體容量
    • N 條位址線可以擁有 2 的 N 次方的記憶空間，而其位址為 0 至 2 的 N 次方來減 1 (從 0 開始，編號 0~2^N^-1)
  2. 資料匯流排(Data Bus)
    • 負責傳送 CPU 所要存取的資料
    • 其線數的多少代表 CPU 的字組 Word (大小)
    • N 位元 CPU 亦就是此 CPU 有 N 條資料線 64 bits = 8 bytes word
  3. 控制匯流排(Control Bus)
    • 負責傳送 CPU 所發出的控制訊號
    • Ex: 計算 => address line + data line

例：

Q1: 電腦 Mem size = 4GB, 有 30 條 address line(決定格數), 問 CPU word size(data line => 決定格子大小)?
Sol:
格數 * 格子大小 = 總 Mem.
2^30 * X = 4GB
X = 4 bytes = 32 bits

Q2: Mem size = 4GB, 又 data line 有 32 條(32 bits = 4 bytes), 問 address line 至少有幾條？
Sol:
X * 4 bytes = 4GB
x = 1G = 2^30 格子 => 30 條

常見的時間單位

|毫(sec)|微(sec)|奈(sec)|皮(sec)|
|–|–|–|–|–|
|1 ms|1 us|1 ns|1 ps|
|10^-3 sec|10^-6 sec|10^-9 sec|10^-12 sec|
1 秒 = 10^3 ms = 10^6 us = 10^9 ns = 10^12 ps

硬體介紹

  • CPU (Central Processing Unit) 中央處理器
    1. 於大型電腦中的 CPU = Control Unit + A.L.U + Memory
    2. 於 PC 中的 CPU = Control Unit + A.L.U + Register + Cache Memory
  • CPU 速度衡量單位
    1. MIPS (Million Instruction Per Second): 每秒百萬個指令
    2. MFLOPS (Million Floating-Point Operation Per Second): 每秒執行百萬個浮點數指令
      優點： 衡量的基準點更趨一致性
    3. CPI (Clock Per Instruction): 一條指令花多少的 clock cycle
      • clock (時脈): 電腦內部一個類似時鐘的裝置
      • clock cycle (時脈週期): clock 計數一次稱為一個 clock cycle
      • clock rate (時脈頻率): 指 clock 計算的速度
        ex: (1) 1MHz => 每秒做 10 的 6 次方個 clock cycle
        (2) 2GHz => 每秒做 2 * 10 的 9 次方 clock cycle
      • Ex: CPI=5 => 代表一指令執行需 5 個 clock cycle
    • Ex: 下列哪個選項錯？
      (A) 8KB = 2^13 bytes (2^3 * 2^30)
      (B) 8MB = 2^13 KB (2^3 * 2^20 = 2^13 * 2^10)
      © 8GB = 2^33 bytes (2^3 * 2^30 = 2^33)
      (D) 8GHz = 2^33 Hz (2^3 * 10^9 = 2^20) 錯

CPU 的種類

  1. RISC(Reduced): 最大特點是指令長度固定，指令格式種類少，定址方式種類少，易於設計超純量(Superscalar) 和 Pipeline，暫存器數量多，RISC 比 CISC 性能高很多
  2. CISC(Complex): 大量的複雜指令、可變得指令長度、多種的定址方式，大大增加了解碼的難度

  • 比較：

    RISC CISC
    指令數目少 定址模式少 register 多 指令數目多 定址模式多 register 少
    指令長度固定，decode 易 指令長度不一，decode 不易
    Compiler 翻譯出來的指令數目較多 Compiler 翻譯出來的指令數目較少
    需強力的 Compiler 支援 不需強力的 Compiler 支援
    代表的有 IBM RS6000, Alphachip Intel Pentium 系列
    指令數目少，所以能使用 硬體線路控制 (Hardware Control) 來製作 => 速度快 指令複雜度，採用 微程式 (Microprogramming control) 方式製作 => 較有彈性
    配合 Pipeline (管線技術) 和 Superscalar (超純量) => 效果佳 因為每個指令只需花一個 clock cycle 較 RISC 差

    Note: Pipeline (管線技術) 和 Superscalar (超純量) => 即 Pipeline + Parallel processing => 週期長度固定

    圖示：

記憶體階層

Q: Why Memory Hierarchy?
A: 欲於 Speed 和 Cost 之間取得一平衡點

  • 策略：
    1. 常用的 data => 往 speed 快的放
    2. 不常用的 data => 往 cost 低的放

記憶體的種類

  1. RAM (Random Access Memory) 隨機存取記憶體： SRAM, DRAM
  2. ROM (Read Only Memory) 唯讀記憶體
    • PROM (Programming ROM) 可程式唯讀記憶體
      寫入方式：燒錄器
      Read many, Write once
    • EPROM (Erasable-Programming ROM) 可抹除式的可程式僅讀記憶體
      寫入方式：UV Light 紫外線
      Read many, Write many
    • EEPROM (Electically Erasable-Programming ROM) 電子式(可覆寫)的可抹除-可程式化的唯讀記憶體
      寫入方式：電流
      Read many, Write many
      相較於 EPROM 可寫入更多次
  • Note: Flash ROM 快閃記憶體 (目前常用的 ROM) => 比 EEPROM 密度高(容量大)，又更便宜

ROM vs RAM

ROM RAM
容量較小 容量較大
只可讀 可讀可寫
Power-off, data 存在 Power-off, data 消失
儲存：BIOS, Bootstrap Loade 儲存：program, data
非揮發性 (Non-Volatile) 揮發性 (Volatile)

DRAM vs SRAM

項目 DRAM (Dynamic) 動態隨機存取記憶體 SRAM (Static)靜態隨機存取記憶體
存取速度 慢 快
價格 低 高
使用元件 電容 (capaitor) 正反器 (filp-flop)
更新電路(Refresh) 需更新 不需更新
電路密度 密度高 密度低
用途 作為主記憶體 (Main Memory) 作為快取記憶體 (Cache)
  • Ex:

I/O的定址方式

  1. 隔離式 I/O (isolated I/O): 不佔記憶體空間，但須額外指令來區分
  2. 記憶體映射式 I/O (memory mapped I/O): 不需額外指令，但佔 Memory 空間

圖形表示法

  1. 點陣圖 bitmap
    • graphic 由許多點集合而成，每一個點為一個像素 (pixel)， pixel 是顯示器的基本單位 (Bit 是最基本的儲存單位)
    • 當 pixel 越多解析度就越高
  2. 向量圖 vector graphic
    • 利用 Math 貝茲 (Bezier) 曲線去描述圖形輪廓
    • 可任意的將圖形放大、縮小、旋轉，而不會出現鋸齒狀

  • Ex1: 圖形 size 為 1024 * 768, 而每個 pixels 需使用 24 bits, 問此圖 size?
    Sol: 1024 * 768 * 24 bits(3 bytes) = 2304 KB 約等於 2.3 MB

  • Ex2: 呈上，此圖可表示的顏色有幾種？
    Sol: 1 bit => 2^1…N bits = 2^N, Ans: 2 的 24 次方

  • Ex3: 若轉為黑白差幾倍？
    Sol: 各 pixel 只需 1 bit, 所以差 24 倍

  • Ex4: 圖 1024 * 768, 由三色系 RGB 組成, 又各色系需 8 bits, 問圖的大小？
    Sol: 8 bits = 1 byte