03CHAPTER

計算機組織

3-1 中央處理器3-2 主記憶體3-3 執行程式3-4 匯流排及介面3-5 輸出入周邊設備3-6 儲存裝置

計算機概論 2

電腦基礎元件真空管

電晶體

積體電路

超大型積體電路

計算機概論 3

三大電腦展

(CeBIT；每年三月舉行)德國漢諾威電腦展

計算機概論 4

三大電腦展

(COMPUTEX TAIPEI；每年六月舉行)台北國際電腦展

計算機概論 5

三大電腦展

(COMDEX FALL；每年秋季舉行)美國拉斯維加斯秋季電腦展

計算機概論 6

各類型電腦

桌上型電腦(Desktop)

筆記型電腦(Laptop；Notebook)

平板電腦(Tablet PC)

計算機概論 7

3C整合Computer(電腦)

Communication(通訊)

Consumer electronics(消費性電子產品)

計算機概論 8

計算機概論 9

中央處理器(Central Processing Unit；CPU)

輸出

螢幕印表機

輸入

鍵盤滑鼠

掃描器

控制單元(Control Unit)

算術還輯單元(Arithmetic Logic Unit)

當代計算機的通用架構「馮紐曼模式」(von Neumann Model, 1945)

最主要的精神在於「儲存程式」(stored program)的概念

馮紐曼模式

記憶體(Memory)

計算機概論 10

計算機概論 11 計算機概論 12

計算機概論 13

3-1 中央處理器

計算機概論 14

Intel Pentium 4

計算機概論 15

邏輯運算

0001

0101

0011

x AND yyxAND

0111

0101

0011

x OR yyxOR

0111

0101

0011

x XOR yyxXOR

1

0

0

1

Not xxNot

計算機概論 16

微處理器發展簡史(I)

續下頁

計算機概論 17

微處理器發展簡史(II)

計算機概論 18

3-2 主記憶體

計算機概論 19

位址和值

計算機概論 20

主記憶體類別RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體)

ROM(Read-Only Memory；唯讀記憶體)

SRAM(Static RAM；靜態隨機存取記憶體)

DRAM(Dynamic RAM；動態隨機存取記憶體)

PROM(Programmable ROM；可程式的唯讀記憶體)

EPROM(Erasable Programmable ROM；可用紫外線擦拭及可程式的唯讀記憶體)

EEPROM(Electronically Erasable Programmable ROM；可電子擦拭及可程式的唯讀記憶體)

計算機概論 21

3-3 執行程式

擷取指令

執行指令 解碼指令

計算機概論 22

CPU如何執行程式

每一條指令都經過四個步驟

機器循環週期：執行一條指令所需要的時間量

擷取、執行和儲存運算動作所需要的時間

個人電腦可以在不到百萬分之一秒的時間完成

超級電腦則不到兆分之一秒

系統時鐘(system clock) 讓電腦所有的運作同步

每種 CPU 都有它自己的指令集

CPU 所能了解和執行的那些指令

計算機概論 23

CPU如何執行程式機器循環週期＝ I-time ＋ E-time

指令時間(Instruction-Time)：需要的資料和指令需先存入

記憶體中

1. 控制單元從記憶體中擷取指令放至 暫存器

2. 控制單元將此指令解碼(辨識此指令)，並決定所需資料在

記憶體的位置

執行時間(Execution-Time)

3. 控制單元將資料從記憶體搬至算術邏輯單元內的暫存器

中，由ALU執行算術或邏輯指令

4. 控制單元將運算結果儲存在記憶體或暫存器

計算機概論 24

計算機概論 25

擷取指令1

擷取指令2

擷取指令3

解碼指令1

解碼指令2

解碼指令3 執行指令3

執行指令2

執行指令1

完成指令1 完成指令3完成指令2

時間

生產線技術(pipelining)

計算機概論 26

運算處理的種類

循序處理 (sequential)每次只執行一項指令

擷取、解碼、執行、儲存

管線處理 (pipelining)擷取、解碼、執行、儲存等指令的動作並不需要在下一

個指令開始運作前完成。

當指令1正在解碼的同時就擷取指令2

平行處理 (parallel processing)同一時間有多個處理器同時工作

有能力處理每秒鐘數兆個浮點數運算指令

例如網路伺服器與超級電腦

計算機概論 27

平行處理

計算機概論 28

運算處理的種類

pipelining

計算機概論 29

3-4 匯流排及介面

系統匯流排

負責CPU與記憶體間的資料傳送

擴充匯流排

保留一些連接給使用者彈

性使用

主機組裝教學動畫

計算機概論 30

ISA、PCI、AGP及PCI Express 在 80年代，最當紅的高速匯流排是 ISA(IndustryStandard Architecture) ，它的傳輸速率每秒只有8.33Mb 90年代，PCI(Peripheral Component Interconnect)的每秒133Mb 繪圖卡等須高速運作的多採用

AGP，它每秒可傳輸2.1Gb 現在走紅的是PCI Express，它也稱為3GIO。PCI Express的傳輸速率為每秒2.5Gb~8Gb。(PCI-E 16X 8Gb)

計算機概論 31

USBUSB(Universal Serial Bus；通用序列匯流排)

是USB Implementers Forum 所開發的連線規格針對電腦的外接周邊設備(鍵盤、滑鼠、遊戲控制器、攝影機、儲存裝置、掃描器和其他周邊)所設計，讓使用者安裝特定裝置時，能夠省去

開啟電腦機箱及重開機的麻煩，隨插即用

為一般使用者提供了操作簡便、擴充性和快速

等優點

USB 2.0傳輸速度最高每秒可達480Mb；USB 3.0每秒傳輸速度達4.8Gb

計算機概論 32

IEEE 1394IEEE 1394

一種高速序列匯流排的公定標準。

Apple將此種匯流排命名為Sony稱它為

提供隨插即用的功能，提供個人電腦相容性的延

伸介面，它具有保證頻寬的傳輸模式，適用於消

費性電子聲訊/視訊產品、儲存周邊及可攜式裝置IEEE 1394的資料傳輸速度是每秒400Mb，新的IEEE 1394b規格，傳輸速度高達每秒3.2Gb數位錄影機常用

USB目前在PC較佔上風

FireWire

i.Link

計算機概論 33

3-5 輸出入周邊設備

計算機概論 34

鍵盤

輔助我們將訊息輸入電腦的

重要輸入設備，它的字符位

置和打字機類似，它與主機

板連接的界面規格主要為

PS2及USB

計算機概論 35

滑鼠

輔助我們將訊息輸入電腦的重要輸入設備，它與主機板連接的界面規格主要為：

種類非常的多：二鍵、三鍵、二鍵加小滾輪(可方便瀏覽超過顯示範圍的頁面)、軌跡球式的滑鼠 、光學滑鼠

PS2

無線連接

USB

計算機概論 36

TIFF BMP GIF PCX

掃描器掃描的文件以數位影像格式儲存

儲存的檔案格式有：

掃描器的解析度以掃描時每英吋的取樣點數

(dpi；dot per inch)表示

掃描器原理動畫

計算機概論 37

螢幕

又稱顯示器(monitor)，是電腦最主要的輸出設備傳統的螢幕為陰極射線映像管顯示器 (CRT；Cathode Ray Tube)，既粗大又笨重，已快

速地被既輕且薄的液

晶螢幕(LCD；LiquidCrystal Display)所取代

計算機概論 38

印表機

重要的輸出周邊設備，它的解析度以印出時每英

吋的列印點數(dpi；dot per inch)表示

噴墨／雷射印表機原理動畫

計算機概論 39

3-6 儲存裝置

硬碟

磁帶

軟式磁碟片

Zip

MO

光碟片

記憶卡

隨身碟

可攜式硬碟

計算機概論 40

硬碟

硬碟(Hard Disk)是電腦儲存資料最重要的地方，它的內部有：

程式及資料平時通常放在硬碟，

執行時才從硬碟載入主記憶體，

因此它是極為重要的儲存設備，

平時最好就做備份。

圓形碟片 讀寫頭

計算機概論 41

磁帶、軟式磁碟片、Zip及MO磁帶通常用來做備份，主要是因為磁帶通常比硬

碟的容量要大許多。現在的磁帶備份的資料動輒

以TB(Tera Byte；兆位元組)計備份的另一種選擇是使用RAID(Redundant Arrays of Inexpensive Disks)磁碟陣列軟式磁碟片曾是九十年代最主要的可攜式儲存媒

介

Zip(IOMEGA於1995年推出)及MO(Magnet Optical Disk；SONY於1988年推出)是九十年代頗受歡迎的大量資料之可攜式儲存媒介

計算機概論 42

光碟片

新力(Sony)和飛利浦(Philips)在八十年代初期推出了CD-ROMCD光碟片的儲存容量為DVD(Digital Versatile Disk)單面單層可儲存最高可儲存雙面雙層

CD系列(CD-ROM、CR-R、CR-RW或VCD)的存取速度時，單倍速為

DVD 系列 (DVD-ROM 、 DVD-R 、 DVD-RW 或DVD-Video)的存取速度時，單倍速為

650MB4.7GB

達17GB之多

每秒150KB

每秒約1350KB

計算機概論 43

記憶卡數位相機、PDA、…等都利用這種輕薄的記憶裝置儲存資料，它的種類繁多

CF(Compact Flash)

SM(Smart Media)

SD(Secure Digital)

MMC(Multi Media Card)

MS(Memory Stick)

xD

micro SD

計算機概論 44

微型硬碟(MD)縮小版的硬碟

一般家用電腦使用的是3.5吋硬碟筆記型通常用比較小的2.5吋硬碟而MD小到連1吋都不到

容量通常較

記憶卡高一個等級

計算機概論 45

多合一的讀卡機

可同時讀取多種不同的記憶卡

計算機概論 46

隨身碟

隨身碟(Flash Disk)又稱意即和大拇指大小差不多

透過USB埠可以連到電腦上，進行存取動作，相當方便

容量已可達GB造型花樣百出

大拇哥

計算機概論 47

複合式隨身碟兼具收錄音及MP3等功能

計算機概論 48

可攜式硬碟USB外接硬碟，它是一種體積小且重量輕的攜帶式儲存

裝置

大約只有手掌般的大小，而

且具有USB連接線即插即用的功能，可輕易地與個人電

腦相連接，安裝極為便捷

雖然較隨身碟大一些，但容

量可達上百GB，甚至TB，是須攜帶大量資料人士的最

愛

計算機概論 49

Traditional Hard Disk Drive (left) and Solid-State Drive (right)

Source: Wikipedia