計概02-02電腦主機與CPU

2-2.1主機板上的元件

CPU插槽	安裝微處理器。
記憶體插槽	安裝DRAM模組。
BIOS	基本輸入/出系統(Basic Input/Output System) 1.儲存於主機板上ROM中的軟體，電源關閉後資料不會消失，又稱為ROM-BIOS。 2.開機自我測試(Power On Self Test, POST)系統硬體組態，如：CPU型號、記憶體大小。 3.用來載入Boot-Record，設定CMOS內容，不具設定螢幕解析度功能。
CMOS	互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 1.位於主機板上的記憶體，內容可更改，藉由電池供電保存設定的內容。 2.儲存軟硬碟機及光碟機的規格、開機順序、系統日期及時間、顯示器型態、記憶體數量等資訊。
晶片組	北橋晶片	負責高速裝置的溝通，如：CPU、主記憶體、顯示卡裝置。
	南橋晶片	負責低速裝置的溝通，如：PCI、IDE、USB、SATA、I/O連接埠。
擴充槽	PCI插槽	安裝網路卡、音效卡、電視卡。
	PCI-E插槽	安裝網路卡、音效卡、電視卡、顯示卡。
連接埠	IDE連接埠	連接IDE設備，每個IDE連接埠可連接2台IDE設備。
	SATA連接埠	連接SATA設備，傳輸速度較IDE快。
	I/O連接埠	內建於主機板，透過I/O連接埠可與周邊設備連接。

 

2-2.2中央處理器CPU

2-2.2.1CPU組成單元：CU+ALU+暫存器(Register)+快取記憶體(Cache Memory)，主要原料是二氧化矽。

 

2-2.2.2暫存器：用來暫時存放目前指令的位址資料，或計算中資料。

累加器(Accumulator, ACC)	儲存ALU的運算結果。
程式計數器(Program Counter, PC)	指出下一個要執行指令的記憶體位址。
位址暫存器(Memory Address Register, MAR)	記錄正在存取的記憶體位址。
資料暫存器(Memory Data Register, MDR)	暫時儲存運算所需的資料。
指令暫存器(Instruction Register, IR)	存放記憶體中載入的運算碼。
旗標暫存器(Flag Register, FR)	值可用來表示某種狀態(如：二數值的比較結果)，進而影響程式執行流程。
一般用途暫存器(General-Purpose Register)	暫存一般運算資料及位址資料。

 

2-2.2.3快取記憶體

快取記憶體	材質為靜態隨機存取記憶體SRAM，解決CPU與主記憶體DRAM之間速度不平衡的現象，用來暫時儲存讀過的資料，下次讀取相同資料時，就直接從Cache讀取，不用再從輔助記憶體中讀取，增進處理效能。 L1、L2在CPU內部，L3在CPU外部。
緩衝區(Buffer)	提供程式執行輸入或輸出時，存取資料記錄的暫時儲存區，是存取資料速率最快的記憶體。

 

2-2.2.4影響CPU的效能因素

時脈頻率(Clock Rate)	時脈頻率高，代表電腦執行快，處理效能高。
時脈周期(Clock Period)	時脈頻率的倒數。
外頻(External Frequency)	CPU與主機板上晶片組的資料傳輸速率。
內頻(Internal Frequency)	又稱主頻，CPU的時脈頻率(Clock Rate)，頻率愈高。
倍頻(Multiplier)	內頻對外頻的倍數，內頻=外頻×倍頻
頻率單位	KHz(Kilo Hertz) 每秒一千次震盪(103) MHz(Mega Hertz) 每秒一百萬次震盪(106) GHz(Giga Hertz) 每秒十億次震盪(109) THz(Tera Hertz) 每秒一兆次震盪(1012)
衡量電腦效能常用的單位	MIPS 每秒執行百萬個指令 MFLOPS 每秒執行百萬個浮點運算(M=106) GFLOPS 每秒執行十億個浮點運算(G=109) MHz 每秒振動百萬周期之頻率 GHz 每秒振動十億周期之頻率
時間單位	ms(毫秒) 10-3s，螢幕的反應時間。 μs(微秒) 10-6s，硬碟的處理時間。 ns(奈秒) 10-9s，CPU處理時間、記憶體處理時間。 ps(披秒) 10-12s

 

2-2.2.5前側匯流排FSB

FSB	處理器到北橋晶片間的匯流排。
單位	MT/s(Mega Transfers per Second)每秒傳輸百萬個單位 GT/s(Giga Transfers per Second)每秒傳輸十億個單位
公式	工作時脈×每個周期傳送的次數
例題	工作時脈800MHz，每個周期傳送2次，工作量=800×2=1600MT/s 工作時脈3.2GHz，每個周期傳送2次，傳輸量=3.2×2=6.4GT/s

 

2-2.3CPU的指令架構及指令周期

2-2.3.1指令架構

指令	由運算碼(Operation Code)與運算元(Operand)組成。
指令集	精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer, RISC)： 1.指令長度固定、短，指令數少。 2.記憶體存取只限於載入及儲存指令。 3.所有的運算都在CPU的暫存器間處理。
	複雜指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC)：指令長度長，指令數多。

※字組(Word)：CPU每次機器周期能夠處理的資料量，CPU的位元數就是字組長度。

※CPU的運算碼長度為2Bytes，則最多可提供2¹⁶個指令。

 

2-2.3.2指令運作周期

擷取	由記憶體中擷取指令及資料。
解碼	翻譯指令，了解指令意義。
執行	執行處理動作。
儲存	儲存結果至暫存器與記憶體。

※多核心處理器與平行處理(Parallel Processing)：將多個獨立的處理器封裝在一起，每個獨立微處理器可平行處理程式中的執行緒(Threads)，適合多工環境。

※管線運算(Pipeline)：將一個指令循環拆成若干個不同的步驟，每個步驟設計一個特定元件專門負責固定的工作，並將這些元件排成一條一貫作業生產線(或管線)，當某個元件完工時，就將半成品交給下一個元件。提升CPU工作效率。