05962計算機組織與結構.ppt

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1、計算機組織與結構計算機組織與結構PART 1 背景與緣起第1章 組合數位電路第2章 擁有記憶能力的數位電路 第3章 計算機系統技術第4章 計算機效能 計算機組織與結構計算機組織與結構PART 1 背景與緣起第1章 組合數位電路第第2章章 擁有記憶能力的數位電路擁有記憶能力的數位電路 第3章 計算機系統技術第4章 計算機效能 計算機組織與結構計算機組織與結構閂鎖、正反器、暫存器 有限狀態機 設計序向電路 有用的序向部件 可程式化的序向部件 事件的時脈與時間 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.1閂鎖、正反器、暫存器 圖 2.1計算機組織與結構計算機組織與結構圖 2.2圖2.2D閂鎖與負緣觸發D

2、正反器的操作 計算機組織與結構計算機組織與結構圖 2.3圖2.3使用負緣觸發正反器的暫存器對暫存器操作 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.4圖2.4販賣機硬幣接收裝置的狀態表與狀態示意圖 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.5圖2.5Moore與Mealy序向機器的硬體實作 計算機組織與結構計算機組織與結構表 2.1表2.1例題2.2定義之JK正反器的狀態表 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.6圖2.6JK正反器的硬體實作(例題2.2)計算機組織與結構計算機組織與結構表 2.2表2.2例題2.3選擇狀態設定之後硬幣接收裝置的狀態表 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.7圖2.7硬幣

3、接收裝置的硬體實作(例題2.3)計算機組織與結構計算機組織與結構圖 2.8圖2.8具有單位元左移跟平行載入功能的暫存器。要進行邏輯左移，序列資料輸入線會連接到0 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.9圖2.9隨機存取與FIFO的暫存器檔案 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.10記憶體只是一個大型，單埠的暫存器檔案 圖2.10計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.11圖2.11擁有初始化能力的同步二進位計數器 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.12圖2.12可程式化序向邏輯的例子 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.13圖2.13決定時脈週期所需的長度 計算機組織與結構計算機組織與結

4、構圖2.14圖2.14同步器是用來預防非同步訊號不適時的改變可能造成的時脈問題發生 計算機組織與結構計算機組織與結構圖2.15圖2.15使用不重疊之時脈訊號的雙時相時脈控制 計算機組織與結構計算機組織與結構訊號、邏輯運算、邏輯閘 布林函數及運算式 設計邏輯閘電路系統 有用的組合部件 可程式化的組合部件 時間與電路考量 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.1一些基本的數位邏輯電路元件，這本書所使用的運圖 1.1算符號加以特別標注 計算機組織與結構計算機組織與結構圖 1.2圖1.2超過兩個輸入端或輸入反相訊號的邏輯閘 計算機組織與結構計算機組織與結構圖 1.3圖1.3 AND邏輯閘跟三態緩衝器可

5、以當作控制開關或活門來運作。反相緩衝器在邏輯上跟NOT邏輯閘相同 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.4圖1.4固接OR讓我們能將數個控制訊號綁在一起 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.5圖1.5用單一邏輯閘符號表示的邏輯閘陣列 計算機組織與結構計算機組織與結構表 1.1表1.1以一個簡要的真值表表示三個七變數的布林函數，在輸入與輸出列中都包含無關項 計算機組織與結構計算機組織與結構表1.2表1.2布林代數定律(基本特性)計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.6兩層的電路及兩種等價電路 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.7圖1.7 用七段顯示器顯示十進位數字。其中有三個沒有灰色的小段

6、可選擇性的使用。數字1有兩種方法顯示，使用右邊的小段為較常見的方法 計算機組織與結構計算機組織與結構圖 1.8圖1.8能夠產生七段顯示器最底部顯示段(3號)的致能訊號的邏輯電路 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.9圖1.9 多工器，或選擇器，依外界提供之一組選擇或位址訊號，選擇數個輸入中其中一個，並將其轉送到輸出端 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.10 解碼器使用a位元的位址輸入，讓我們從2a個選項圖1.10中做選擇。解多工器是一種只有致能訊號被聲明時才會選擇輸出的解碼器 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.11圖1.11 一個2a-to-a編碼器如果2a個輸入中有一個為1，則對a

7、的編碼器會輸出一個a位元的二進位數，等同於該位元對應之位址 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.12圖1.12可程式化的連結及其在PROM中的使用 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.13圖1.13 可程式化的組合邏輯：一般性結構與兩個稱做PAL及PLA裝置的種類。圖中未畫出有固定AND陣列(一個解碼器)以及可程式化OR陣列的PROM 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.14圖1.14出現雜訊之電路的時序示意圖 計算機組織與結構計算機組織與結構圖1.15圖1.15CMOS傳輸閘，並用其建立2對1多工器 計算機組織與結構計算機組織與結構PART 1 背景與緣起第1章 組合數位電路第2章 擁

8、有記憶能力的數位電路 第第3章章 計算機系統技術計算機系統技術第4章 計算機效能 計算機組織與結構計算機組織與結構從組件到應用 計算機系統與其部件世代的進展 處理器與記憶體技術 周邊、I/O、通訊 軟體系統與應用程式 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.1計算機系統工程的子領域或觀點 圖 3.1計算機組織與結構計算機組織與結構圖 3.2圖3.2 就像建築師一樣，位在工程藝術以及目標手段的分界上，佔據了這張示意圖的中間位置，電腦結構者必須調解許多衝突與互不相容的需求 計算機組織與結構計算機組織與結構表 3.1表3.1單位的倍數與分數的符號與字首 請注意：符號K通常指的是210=1024，因為同

9、樣的記號不能用在其他符號已經是大寫的倍數上，所以使用下標b來表示相對的2次方數。當在描述記憶體容量時，永遠會推斷有下標b，並且可能將之忽略；即32MB跟32MbB代表相同的記憶體數量。2的次方數字首讀法為binary-mega等。計算機組織與結構計算機組織與結構圖 3.3圖3.3計算機系統的空間：粗線指向電腦用詞一般代表的意思 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.4圖3.4用運算能力與價格範圍(美元)將計算機分類 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.5圖3.5 雖然看不見，但是嵌入式計算機無處不在。它們出現在我們的汽車、家電以及許多其它地方裡 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.6圖3.

10、6 筆記型電腦，某種常見的可攜式電腦，比桌上型電腦小上許多，但提供了大致上相同的功能。造成兩者尺寸差異的主要原因為何？計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.7圖3.7 數位電腦的(三、四、五、或)六個主要單元。通常連結單元(簡單的匯流排或是更複雜的網路)並不會明確地被包含在這種示意圖中 計算機組織與結構計算機組織與結構表 3.2表3.2數位電腦的五個世代，及其祖先 計算機組織與結構計算機組織與結構圖 3.8圖3.8積體電路部件的製造過程 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.9圖3.9使用視覺化的描繪來說明使用較大晶片導致良率的劇烈減低 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.10處理器效能與D

11、RAM記憶體晶片容量的走勢圖3.10(Moore定律)計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.11圖3.11處理器、記憶體與其他組件的封裝 計算機組織與結構計算機組織與結構表 3.3表3.3一些輸入、輸出以及雙向I/O裝置 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.12圖3.12磁性與光學記憶單元 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.13圖3.13不同種類通訊連結的延遲與頻寬 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.14圖3.14程式設計的模型與抽象層級 計算機組織與結構計算機組織與結構圖3.15圖3.15軟體的分類，加上每一類的例子 計算機組織與結構計算機組織與結構PART 1 背景與緣起第1章

12、組合數位電路第2章 擁有記憶能力的數位電路 第3章 計算機系統技術第第4章章 計算機效能計算機效能 計算機組織與結構計算機組織與結構成本、效能、與成本效能 定義計算機效能 效能增益與Amdahl定律 效能度量 vs 效能模型計算機效能報告 更高效能的探索 計算機組織與結構計算機組織與結構表 4.1表4.1 六種客機的重要特性：所有的數字都是大約值；有些跟特定機型配置有關，或是參考資料數值範圍的平均 計算機組織與結構計算機組織與結構圖4.1把效能的改進看做價格的函數 圖 4.1計算機組織與結構計算機組織與結構圖 4.2圖4.2以水管來比喻處理能力與I/O能力的不平衡會造成效能的瓶頸 計算機組織與

13、結構計算機組織與結構圖 4.3圖4.3較快的步伐不一定表示較短的行走時間 計算機組織與結構計算機組織與結構圖4.4圖4.4 Amdahl定律：如果某工作的比例f沒有被影響，而其他的1-f部分以p倍的速度執行，會達到的加速 計算機組織與結構計算機組織與結構圖4.5圖4.5六個程式在三台機器上的執行時間 計算機組織與結構計算機組織與結構表 4.2表4.2標準指標套件的特性整理 計算機組織與結構計算機組織與結構圖4.6圖4.6SPEC標準指標的結果圖例 計算機組織與結構計算機組織與結構表 4.3表4.3四種代表性應用程式各種指令類別的使用頻率，以百分比表示 計算機組織與結構計算機組織與結構表4.4表4.4三個程式的測量或估計執行時間計算機組織與結構計算機組織與結構圖4.7圖4.7超級電腦效能的指數成長Bell92 計算機組織與結構計算機組織與結構圖 4.8圖4.8美國能源部贊助的加速戰略計算創新(ASCI)計畫的里程碑，上推到PFLOPS等級 計算機組織與結構計算機組織與結構習題4.5計算機組織與結構計算機組織與結構習題4.12