【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 脈與指令的執(zhí)行週期 ： ? 時(shí)脈 （ Clock） 是讓電腦裡的處理單元 、 記憶體 、輸出入系統(tǒng)同步的一種信號(hào) 。 就像是音樂(lè)的節(jié)奏 ，不整齊劃一 ， 就沒(méi)辦法協(xié)調(diào)演出 。 ? 電腦系統(tǒng)的時(shí)脈是由一個(gè)定時(shí)震盪器所產(chǎn)生 ， 通常是石英做的 ， 別懷疑 ， 您的手錶裡也有 。 通常時(shí)脈很快 ， 每秒中約可震盪達(dá)數(shù)百 Mega（ 百萬(wàn) ） 次 ，單位為 Hz。 時(shí)脈會(huì)連接到電腦主機(jī)板上的各種運(yùn)作單元 ， 做為運(yùn)作的基準(zhǔn) 。 ? 一般而言 ， CPU一個(gè)時(shí)脈最快能執(zhí)行完一條指令 ，所以時(shí)脈越快 ， 電腦的運(yùn)算效能就越高 。 以下就是 CPU結(jié)合記憶體以執(zhí)行一個(gè)電腦程式的方式 1： ? 在指令執(zhí)行之前 ， 程式指令和資料必頇先從輸入設(shè)備或輔助儲(chǔ)存設(shè)備放進(jìn)記憶體中 。 當(dāng)所需要的資料和指令已經(jīng)在記憶體中時(shí) ， CPU就會(huì)為每一條指令完成下面四項(xiàng)步驟： ? 抓取 （ Fetching）：控制單元從記憶體中抓取指令。 ? 解碼 （ Decoding）：控制單元將指令解碼（辨識(shí)此指令的功能），然後將所需要的資料從記憶體移至 ALU。 ? 執(zhí)行 （ Executing）：執(zhí)行解碼後動(dòng)作（算術(shù)指令或邏輯指令），由 ALU控制並對(duì)資料執(zhí)行實(shí)際的指令。 ? 儲(chǔ)存 （ Storing）： ALU將指令執(zhí)行的結(jié)果存放在記憶體或暫存器中。 以下就是 CPU結(jié)合記憶體以執(zhí)行一個(gè)電腦程式的方式 2： ?步驟 1和 2合稱為 指令時(shí)間 （ Itime） ， 步驟 3和 4合稱為 執(zhí)行時(shí)間 （ Etime） 。 ?控制單元最後會(huì)將記憶體中的結(jié)果送進(jìn)輸出設(shè)備或輔助儲(chǔ)存設(shè)備中 。 ? Itime和 Etime加起來(lái)稱為 機(jī)器循環(huán)週期（ Machine Cycle） 。 示意圖： 補(bǔ)充說(shuō)明： ?每一個(gè)機(jī)器循環(huán)指令可能是由一連串小指令（稱為微指令）組成，而每一個(gè)微指令至少需要一個(gè)時(shí)脈的循環(huán)時(shí)間。 ?每一個(gè) CPU被設(shè)計(jì)了解一組稱為指令集（ Instruction Set）的特定指令，例如像是ADD（加法）或是 JP（跳躍分支）。 快取記憶體 Cache： ?快取記憶體 （ Cache） 是一小塊反應(yīng)相當(dāng)快的記憶體 ， 它是為了加速內(nèi)部資料和軟體指令傳輸?shù)忍厥饽康亩O(shè)計(jì)的 。 您可以把快取記憶體想像成是秘書(shū)型記憶體 ， 因?yàn)榇娣旁诳烊∮洃涹w中的資料和指令是最近或經(jīng)常被使用到的 。 快取記憶體的功能： ? 當(dāng) CPU在 Fetching階段第一次必頇到主記憶體中抓取資料或指令時(shí) ， 由於一般的動(dòng)態(tài)存取記憶體的工作頻率與反應(yīng)速度和 CPU比起來(lái)要慢上許多 ， 導(dǎo)致CPU浪費(fèi)時(shí)間在等待記憶體回應(yīng) 。 ? 解決的方式就是一兼二顧 ， 順便將抓到的資料 、 指令放到 CPU裡面的一塊快取記憶體 ， 控制單元會(huì)對(duì)應(yīng)好原本的記憶體位址資料 。 等到下次用到時(shí) ， 就直接從快取中拿 ， 而不必再跑到記憶體去要 。 示意圖： 快取記憶體的運(yùn)用： ? 快取記憶體的運(yùn)用已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的技術(shù)，新型的微電腦處理器都把快取記憶體納入到處理器晶片中，這種是最快速的方法，稱為 內(nèi)部快取 。內(nèi)部快取也是最昂貴的記憶體，它佔(zhàn)用了 CPU晶片寶貴的方寸大小，也因此不能過(guò)大。另一個(gè)方法是再設(shè)計(jì)另一種快取，但不放在 CPU晶片中，這時(shí)速度就會(huì)稍慢，但很明顯的容量大小就可以增加許多，一般稱為 L2 Cache。 93 輸入輸出系統(tǒng) ?埠與插斷 ?直接記憶體存取 DMA ? I/O處理晶片 埠與插斷 1： ? 完整 CPU的晶片本身就包含了輸入與輸出用的接腳 ，對(duì) CPU來(lái)說(shuō) ， 除了存取記憶體資料是透過(guò)資料匯流排外 ， 對(duì)外輸入輸出設(shè)備的進(jìn)出控制就是靠這些接腳 。 ? 這些接腳通常分別被組合定義成許多的 埠 （ Port） ，埠是 CPU對(duì)外的吞吐口 。 通常所有要輸入 、 輸出的資料都要經(jīng)過(guò)這些埠 ， 而且埠不會(huì)只有一個(gè) ， 每一個(gè)埠可以代表不同的設(shè)備進(jìn)出口 ， 例如序列通訊埠 、平行通訊埠 、 鍵盤控制埠 …… 等 。 埠與插斷 2： ? CPU要如何知道有資料要進(jìn)來(lái)呢 ？ CPU是利用 插斷（ Interrupt） 的技術(shù)來(lái)達(dá)成 。 ? 當(dāng)輸入設(shè)備的輸入資料到埠後 ， 會(huì)先向 CPU發(fā)出插斷 ， 在一般的情況下 ， CPU會(huì)停下目前手上的工作 ，看看是哪個(gè)埠發(fā)出插斷 ， 緊接著就去接收那個(gè)埠的資料 ， 完成後才會(huì)繼續(xù)原來(lái)的工作 。 ? 當(dāng)然 ， 如果資料量大 ， 一直在插斷 CPU， 是很消耗CPU的運(yùn)算時(shí)間的 ， 另一個(gè)解決方法就是配合直接記憶體存取技術(shù) 。 示意圖： 直接記憶體存取 DMA1： ?直接記憶體存取 （ Direct Memory Access，DMA） ， 是一種可以減輕 CPU負(fù)擔(dān)的存取技術(shù) 。 通常當(dāng)讀取某設(shè)備裡的資料時(shí) ， CPU必頇先將資料從設(shè)備讀出 ， 然後再由 CPU寫(xiě)到記憶體中 ， 以上這些動(dòng)作全部由 CPU控制 ，非常不符效率 。 直接記憶體存取 DMA2： ? DMA的方式是將記憶體位址指派好後 ， 直接讓設(shè)備的資料被存放到某塊記憶體或?qū)⒛硥K記憶體直接往設(shè)備傳送 ， 而不經(jīng)過(guò) CPU，如此一來(lái) ， CPU的工作負(fù)擔(dān)將減輕不少 ， 相對(duì)地資料的傳輸將更快速 ， 例如輔助儲(chǔ)存設(shè)備一般即是透過(guò) DMA來(lái)傳輸資料 。 DMA運(yùn)作示意圖： I/O處理晶片： ?隨著 I/O設(shè)備的多樣與複雜以及對(duì)於處理速度的要求 ， 插斷和 DMA已不足以完全應(yīng)付 ，於是就產(chǎn)生了專門用來(lái)處理 I/O的 I/O處理晶片 ， 例如繪圖晶片 、 音效晶片 、 網(wǎng)路晶片等 。 以下就是 I/O處理晶片的用途 1： ? 和 CPU及記憶體溝通 ：由於輸出 /輸入設(shè)備（ I/O Device） 種類繁多，它們的資料儲(chǔ)存的格式並不相同，傳輸?shù)乃俣纫脖?CPU及主記憶體慢，如果都將輸出 /輸入設(shè)備直接連到匯流排，讓它們與 CPU及主記憶體直接做連接，由 CPU來(lái)管理資料傳輸以及格式轉(zhuǎn)換可能會(huì)造成拖慢系統(tǒng)運(yùn)作效能的困擾，這些 I/O晶片就可以代勞。 以下就是 I/O處理晶片的用途 2： ?和周邊設(shè)備做溝通 ：如果有資料要從電腦內(nèi)部輸出時(shí)， I/O晶片會(huì)自動(dòng)將電腦內(nèi)部的資料表示法，轉(zhuǎn)換成周邊設(shè)備看得懂的表示法後再輸出，讓電腦內(nèi)部與周邊設(shè)備可以溝通，達(dá)到通訊的目的。 以下就是 I/O處理晶片的用途 3： ?當(dāng)作資料緩衝區(qū) ：做為輸出或輸入的緩衝區(qū) ，化解周邊設(shè)備與電腦內(nèi)部的速度差異 ， 這樣可以防止資料流失的問(wèn)題 。 I/O處理晶片運(yùn)作示意圖： 94 輔助儲(chǔ)存系統(tǒng) ?基本磁碟系統(tǒng) ?虛擬記憶體 ?資料壓縮 ?光碟儲(chǔ)存系統(tǒng) 基本磁碟系統(tǒng) 1： ?磁碟機(jī)是電腦將資料儲(chǔ)存到輔助記憶體的重要媒介，通?？煞譃橄铝腥N： 軟式磁碟機(jī)（ Floppy Disk Driver）、 硬式磁碟機(jī) （ Hard Disk Driver）及 光碟機(jī) （ Compact Disk，CD） 。 基本磁碟系統(tǒng) 2： ? 軟碟和硬碟都是以磁性構(gòu)成的媒體 ， 它們以磁碟上的磁化小點(diǎn)來(lái)表示資料 ， 一個(gè)磁化小點(diǎn)表示位元 1，另一個(gè)狀態(tài)的磁化則表示位元 0。 ? 從磁碟上讀資料是指把磁碟上的資料轉(zhuǎn)換成能傳送到處理器的電子訊號(hào)；寫(xiě)資料到磁碟上的動(dòng)作則剛好相反 ， 是從處理器送出電子訊號(hào) ， 轉(zhuǎn)換成磁碟上的磁化小點(diǎn) 。 磁碟通常是圓的 ， 中心可由馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn) 。 軟式磁碟： ?軟式磁碟系統(tǒng)由 IBM發(fā)展出來(lái) ， 一開(kāi)始是直徑 8吋大 ， 後來(lái)普及化為 51/4吋 ， 這些都已經(jīng)被淘汰 。 目前一般個(gè)人電腦使用的磁片是31/2吋大小 。 軟式磁碟的特色