第一章 計算機系統的主要架構

計算機硬體四個架構 輸出入系統 處理系統 儲存系統 開機過程 程式編輯與執行 指令的執行 程式執行範例 本章概要 計算機硬體四個架構 輸出入系統 處理系統 儲存系統 開機過程 程式編輯與執行 指令的執行 程式執行範例

計算機的主要硬體架構

計算機硬體架構 輸入 鍵盤，滑鼠，磁碟，光碟，數位相機 儲存 快取記憶體，主記憶體，外部儲存體 處理 中央處理單元，處理器 輸出 磁碟，光碟，螢幕，列表機

系統的流程 1.指令或資料，透過鍵盤、滑鼠、磁碟等輸入裝置書寫、編輯或下達命令以及載入檔案。 2.實際的指令（程式）與資料會載入至儲存裝置，如記憶體；在其內部編輯、設定後，再下達執行命令。 3.這些指令或資料會逐一進入處理，即在中央處理單元內做運算，再將結果在寫回儲存裝置。 4.如有需要再將結果，存入磁碟、列表機等輸出裝置。

計算機組織 在設計觀念裏，如果只討論計算機的硬體；它的輸入、儲存、處理、輸出裝置的設計，一般我們稱為是計算機組織(Computer organization) ，它的領域主要是討論硬體設計觀念。

計算機結構 如果同時探討系統與指令的執行，那就稱為計算機結構(Computer architecture)，它除了討論硬體的設計外，並同時要考慮系統的運作與指令的執行。

儲存系統的建立 馮紐曼 當電腦自動化時，儲存系統的設立是非常重要的；它不僅提供一個可以反覆的去做相同工作的能力，並提供了一個可以編輯、修改或開啟新的控制程式的能力。這樣大大的提供了自動化的控制與處理效能。

輸入與輸出系統

輸入與輸出系統

介面裝置的功能 CPU與裝置的速度 資料的格式 裝置的控制 資料的緩衝

資料傳輸 串列式傳輸 並列式傳輸 同步 傳送速率 資料格式

處理系統

處理系統 (中央處理單元) 處理器除了中央處理單元外，有的內含快取記憶體(Cache memory)；其負責指令的運算與執行，所有的指令與資料在儲存系統內。程式執行時，處理器逐一讀入指令，並予解碼，暸解指令所要求的命令動作後，切實去控制執行。

暫存器群 資料暫存器 IR，DR，R1，R2，R3 位址暫存器 AR，PC，SP 控制暫存器 ITR，R/W，I/O 狀態暫存器 V，Z，C，S，IF，OF

暫存器功能 讀取記憶體內指令和資料，做臨時儲存的地方。 指令的資料計算執行臨時儲存的位置。 運算結果輸出的臨時儲存處。

算術與邏輯運算單元 < ， = ， > +，-，*，/，\，MOD 邏輯電路 NOT，AND，OR，XOR 移位電路 算術電路 +，-，*，/，\，MOD 邏輯電路 NOT，AND，OR，XOR 移位電路 Shift(Left，Right)，Rotate(Carry) 關係電路 < ， = ， >

控制單元 同步動作 計數器(計時) 程序控制(指令執行)

處理系統架構圖

儲存系統

儲存系統層級圖

記憶體層級 快取記憶體(Cache) SRAM, Flash Memory 主記憶體(Main Memory) ROM, DRAM 外部儲存體(External Storages) 磁碟, 光碟, 記憶卡, 隨身碟

開機 啟動程式(Boot, BIOS) 系統的載入 主機板硬體環境檢查

程式的編輯與執行

程式的編輯 編輯程式(Editor) 編譯程式(Compiler) 鏈結程式(Linker) 組譯程式(Assembler)

程式的執行 載入程式(Loader) 記憶體規劃(編輯區, 執行區) 程式計數器(Program Counter, PC) 指令暫存器(Instruction Register, IR)

指令種類 記憶體存取指令 M[AR]=DR 寫入, DR=M[AR] 讀取 運算指令 R1=R2+R3, R4=R6 AND R8 跳躍指令 DJNZ R5, 200

指令執行過程

指令週期 指令讀取 指令解碼 指令執行 結果寫回

指令週期流程圖

指令的執行

指令格式設計 指令格式 A=B+C 運算子(Operator) 運算元(Operand)

指令的執行範例 指令格式：暫存器計算指令(12位元)

計算指令 運算碼3個位元，其編碼如下：

暫存器有7個，其編碼如下：

記憶體存取指令 指令12位元，記憶體為64*12，即有64個位址用6位元表示，而每個位址內有12個位元為指令或資料。

運算碼3個位元，其編碼如下：( M[AR]表示記憶體，AR為位址)

指令執行範例一

000101至001000位址內共有四個指令 (1)依PC所指的第一個指令是110011110000，由IR讀入，控制單元解碼得知為： R3=M[110000]   結果： IR=110011110000 AR=110000 R3=000000000010 PC=000110(指令執行後會自動加１，指到下一指令位址)

第二個指令 (2)依PC所指的第二個指令是110101110001，由IR讀入，控制單元解碼得知為： R5=M[110001]   結果： IR=110101110001 AR=110001 R5=000000000110 PC=000111

第三個指令 (3)依PC所指的第三個指令是001101011001，由IR讀入，控制單元解碼得知為： R1=R5-R3   結果： IR=001101011001 AR=011001(計算指令AR無意義) R1=000000000100 PC=001000

第四個指令 (4)依PC所指的第四個指令是111001110010，由IR讀入，控制單元解碼得知為： M[110010]=R1   結果： IR=111001110010 AR=110010 M[AR]=000000000100 PC=001001

範例一執行結果

指令執行範例二

第一個指令 (1)依PC所指的第一個指令是110111111000，由IR讀入，控制單元解碼得知為： R7=M[111000] 結果：   結果： IR=110111111000 AR=111000 R7=000111100110 PC=010110 

第二個指令 (2)依PC所指的第二個指令是010111000011，由IR讀入，控制單元解碼得知為： R3=NOT R7 結果：   結果： IR=010111000011 AR=000011 R3=111000011001 PC=010111

第三個指令 (3)依PC所指的第三個指令是111011111001，由IR讀入，控制單元解碼得知為： M[111001]=R3 結果：   結果： IR=111011111001 AR=111001 M[AR]=111000011001 PC=011000

範例二執行結果

程式計數器的初值 載入程式(Loader)會將程式的第一個指令位址，放入程式計數器(PC)中，開始執行程式，每執行一個程式指令完，程式計時器會自動加一或依指令的要求而指到下一個要執行的指令位址，一直做到程式結束的指令為止。