第4 章处理器种类和计算引擎

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傳統處理器子系統（cont.）
• 區域資料儲存裝置：
– 容納等待計算的某些數值（比如：送到 計算引擎的運算元、或計算後的結果）
– 大部分的區域儲存裝置稱為暫存器 – 要把數值送到計算引擎之前，必須先把
這些數值儲存在暫存器上
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傳統處理器子系統（cont.）
• 內部連線：
– 交換兩個單元之間的資料 – 電腦結構師喜歡使用資料路徑，來描述
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協同處理器
• 協同處理器可以和其它處理器一起工 作，也可以接受其它處理器的命令， 在其底下工作。
• 通常用於
– 特殊目的 – 執行單一任務 – 高速運作
• 比如：協助CPU加速浮點數運算的協 同處理器
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微控制器
• 可程式邏輯設備 • 控制各種中小型系統 • 比如：汽車的引擎、飛機的降落裝置、
• 數位設備 • 電腦系統中最重要的主元件 • 又稱為CPU
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處理器領域
• 不同觀念製造出不同的處理器 • 最原始的設計邏輯分成下列四類：
– 固定式邏輯 – 可選擇邏輯 – 參數化邏輯 – 可程式邏輯
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固定式邏輯處理器
• 完全沒有任何彈性 • 只能執行單一固定的運算 • 硬體連線電路 • 除非改變底層硬體電路，否則就無法
內部的連線。
• 外部介面：
– 負責處理器與其它系統的溝通 – 尤其是與外部記憶體之間的通訊。
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ALU
• 傳統的計算引擎就是ALU • ALU可以執行
– 整數算術 – 位元運算（比如：左移、右移） – 邏輯運算（比如：and、or、xor、not）
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處理器分類和角色扮演
• 協同處理器 • 微控制器 • 微順序器 • 嵌入式處理器 • 通用型處理器
• 指令速率
– 完成一個指令所需要的時間 – 不同的指令可能需要不同的時間
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時脈速率和指令速率（cont.）
指令的擷取―執行週期很難以固定的 速率進行，因為花費的時間必須視其 運算方式而定，像是乘法運算就比加 法運算需要更多的時間。
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控制：啟始和結束
• 啟始程式：程式如何啟始第一個 擷取―執行週期？
p和q可以更改設定。
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可程式邏輯處理器
• 最有彈性 • 可以執行一序列的步驟（比如：程
式指令），來改變處理器的功能。 • 比如：傳統的CPU。
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階層結構和計算引擎
• 電腦結構師使用階層結構，適度地 分割處理器成多個獨立的子系統。
• 單獨地設計和測試子系統，簡化問 題。
• 比如：計算引擎加上其它的引擎， 適度整合，將形成更有威力的CPU。
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結論（cont.）
• U執行基本的算術運算和邏輯運算 • 所有的處理器執行擷取―執行週期 • 大部分的現代處理器使用單一晶片
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階層結構圖
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傳統處理器結構
• 控制器 • 計算引擎 • 區域資料儲存裝置 • 內部連線 • 外部介面
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傳統處理器結構圖
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傳統處理器子系統
• 控制器：
– 控制程式的執行動作 – 協調所有的硬體動作 – 負責執行特定的運算
• 計算引擎：
– 執行所有的計算 – 算術運算和布林邏輯運算 – 接受控制器的指揮要求
• 嵌入式處理器常應用在某些複雜的電 子設備。
• 比如：DVD播放機、電視機、…等。
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通用型處理器
• 最常見的通用型處理器 • 比如：PC的CPU。
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處理器技術
• 早期：離散的數位邏輯 • 後來：電路板 • 現在：單晶片
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程式規劃
對電腦結構師而言，傳統的處理器 可以規劃程式來執行運算，因此處 理器和程式可以分開發展；然而對 使用者而言，處理器和程式看起來 好像整合在一起，感覺好像沒換處 理器，就無法更改程式一樣。
雜貨店的自動門。
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微控制器程式執行範例
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微順序器
• 類似微控制器 • 但不是用來控制外部硬體，而是用在
大型處理器的內部。 • 比如：微順序器可能要求資料搬移單
元，搬動兩筆資料給浮點數單元，然 後要求浮點數單元執行加法，最後再 要求資料搬移單元把結果移到記憶體。
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嵌入式處理器
• 通常會比微控制器更具威力，但功能 則不及通用型處理器。
第4 章 處理器種類和計算引擎
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范紐曼結構
• 大部分的電腦採用范紐曼結構 ， 因此又稱為范紐曼電腦。
• 范紐曼結構源自於第一位推薦這 種結構的知名數學家John Von Neumann。
• 最重要的特色就是程式儲存觀念
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范紐曼電腦的主元件
• 處理器 • 記憶體 • I/O設備
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范紐曼結構圖
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處理器
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擷取-執行週期
• 不同處理器存在細節的差異 • 可程式處理器遵循相同的基本策略，
也就是擷取―執行週期的基本機制。
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擷取-執行週演算法
重複執行下列工作{ 擷取：從程式儲存區，取 出程式的下一個指令； 執行：執行指令動作。
}
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時脈速率和指令速率
• 時脈速率
– 底層硬體速度的量測單位 – 最基本的時脈週期
• 處理器使用重置接腳，要求所有 的系統元件準備開工。
• 重置會讓處理器從某一固定點 （比如：記憶體位址0）重新執行 程式。
• 這種重置啟動處理器的動作稱為 開機 。
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結論
• 處理器可以執行一序列的計算動作 • 現代處理器可以應用在不同的場合
– 協同處理器 – 微順序器 – 微控制器 – 嵌入式處理器 – 通用型處理器
變動任何功能，比如：計算sine(x)。
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可選擇邏輯處理器
• 多了一點點彈性 • 可以執行多個固定的運算，讓使用者
能有少許的選擇。 • 比如：計算sine(x)或計算cosine(x)。
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參數化邏輯處理器
• 接受參數的設定，以控制計算 的方式
• 比如：
– 計算px/q的餘數之雜湊功能h(x) – 除了輸入x變數外，還有兩個參數
• 結束程式：程式執行到最後一個 動作時，處理器會發生什麼事？
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結束程式
• 處理器硬體並沒有設計”結束”機制。 • 除非切斷電源，關閉處理器外，否則
處理器將一直持續地進行擷取―執行 週期，不會停止。 • 應用程式結束可能代表：
– 嵌入式處理器會進入一個迴圈 – 通用處理器則由作業系統接管
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啟始處理器