計算機概論-計算機硬體架構

計算機五大單元

• 控制單元(CU)：負責控制電腦內其它各單元之間的工作配合及各項資料傳送
• 算數邏輯單元(ALU)：負責運算或邏輯判斷
• 輸入單元(IU)：將資料輸入的管道
  　　　　　　   例如：鍵盤、滑鼠、讀卡機、掃瞄器...
• 輸出單元(OU)：資料輸出的管道
  　　　　　　　例如：螢幕、印表機、喇叭...
• 記憶單元(MU)：存放資料的地方
  　　　　　　　 例如：RAM、ROM、硬碟機、軟碟機、光碟機...

內儲程式概念

馮紐曼提出的程式執行概念，其方法是在程式執行時，先將程式儲存在記憶體中，再由中央處理單元執行。好處是只需將程式載入即可，無須改變所需的硬體線路。
根據指令及架構，又可分為複雜指令集(CISC)與精簡指令集(RISC)：

馮紐曼瓶頸

不論CPU與記憶體的速度有多快，整個系統的速度終將受限於匯流排(bus)的速度。
改善方法為：

• 硬體：CPU與記憶體之間的快取記憶體
• 軟體：分支預測演算法

記憶體種類

註：快取記憶體速度L1>L2>L3

暫存器

使用者(可見)暫存器：用來暫時儲存資料，減少CPU對記憶體的存取

• 通用暫存器(General purpose registers)
• 資料暫存器(Data registers)
• 位址暫存器(Address registers)
• 條件碼暫存器(Condition code registers)

控制與狀態暫存器：記錄程式狀態

• 程式計數器(Program counter)
• 指令暫存器(Instruction register)
• 記憶體位址暫存器(Memory address register)
• 記憶體緩衝暫存器(Memory buffer register)
• ALU緩衝暫存器(ALU buffer register)
• 中斷向量暫存器(Interrupt vector register)
• 程式狀態字組(Program status word)

匯流排

• 定義：排線組成的硬體，為計算機五大單元溝通的橋梁
• 分為：資料匯流排(雙向)、位址匯流排(單向)、控制匯流排(單向)
• N條資料匯流排 => 計算機為N位元(bytes)，1 word = N bit，一次處理N bytes
• N條位址匯流排 => CPU最大定址能力 = 最大主記憶體容量 = 2^Nbytes

CPU執行速度

• CPI(clock per instruction)：執行一個指令所需時脈數量
• Clock rate：時脈頻率
• MIPS(millions of instruction per second)：每秒執行幾百萬個指令

效能改善

根據Amdahl's law，改善x%系統，使效能變為原本的n倍，則整個系統變快S倍。

機械式(傳統)硬碟

• 磁盤(platter)：利用磁記錄資料的儲存器
• 磁區(sector)：磁碟存取的最小單位
• 磁叢(cluster)：連續數個磁區
• 磁軌(track)：相同半徑磁區所組成
• 磁柱(cylinder)：各磁盤相同磁軌所組成

• 尋找時間(seek time)：磁碟機將讀寫頭移到所需的磁軌上所需的時間
• 旋轉時間(rotational latency)：將讀寫頭移到資料所在的磁區上所需的時間
• 傳輸時間(transfer time)：將資料由磁碟機讀入記憶體或由記憶體寫入磁碟機所需的時間
• 硬碟存取時間=尋找時間+旋轉時間+傳輸時間
• 尋找時間 > 旋轉時間 > 傳輸時間
• 平均旋轉時間=1/(2*轉速)

RAID

容錯式磁碟陣列(RAID, Redundant Array of Independent Disks)，把多個硬碟組合起來，成為一個硬碟陣列組。根據選擇的版本不同，具有以下一個或多個優點：增強資料整合度，增強容錯功能，增加處理量或容量。