入門啟示錄 Ch03簡報
- 2. 簡報綱要
3.1 引言
3.2 范紐曼電腦
3.3 程式計算機
3.4 指令運作方式
3.5 階層概念
3.6 結構與組織 3.8 相容家族特色
3.7 相容家族 3.9 結語
2
- 3. 核心重點
目前的電腦大都具有范紐
•
曼結構的程式計算機。
• 程式計算機使用語言進行
規劃，往上堆積意像，形
成更高階的意義。
• 計算機結構就是程式設計師在指令集中可以看見的系統屬
性；至於組織，則深入細節與控制，以實現所要求的功能。
• 相容是結構設計的最大魔咒。
3
- 6. ※照片出處 http://www.cesga.es/mostra/carteles/herman_hollerith.html
赫勒里斯
美國的統計學家 赫勒里斯（Herman Hollerith）
發明卡片計算機。
利用打孔卡片來記錄
資料，然後經由電動
的卡片機，將資料統
計出來。這種機器稍
後在1889年取得第一
後在1889年取得第一
個專利。
Herman Hollerith(1860~1929) 6
- 7. 國際商業機器公司
赫勒里斯使用卡片計算機，
協助執行1890年美國人口普
查工作，只花了三年的時
間，就完成了統計結果。 International Business Machines
1896年，藉此成立了TMC公司；1911年，TMC與另外三家公司合併
1896年，藉此成立了TMC公司；1911年，TMC與另外三家公司合併
成為CTR公司；1924年，偉司頓成為公司的CEO（chief executive
成為CTR公司；1924年，偉司頓成為公司的CEO（chief
officer，首席執行長），並將CTR改名為聞名全球的IBM公司。
officer，首席執行長），並將CTR改名為聞名全球的IBM公司。
7
- 11. 范紐曼電腦
現代電腦大都符合范紐曼結
構描述，因而稱為范紐曼
（von Neumann）電腦。
（von Neumann）電腦。
范紐曼描繪計算機基本的結構方塊圖，定義五個功能性元
件，並且詳細地描述每個功能性元件的功能與特性，以及自
動連結資料路徑的觀念。
11
- 12. • 算術邏輯單元（ALU）
具備執行加減乘除和邏輯運算的能力。
• 控制單元(Control)
藉由適當的邏輯控制，順序指揮功能性單元。
• 記憶體(Memory)
儲存事先規劃好的操作程序(即程式)與資料。
• 輸入裝置(Input)
把計算需要的相關資訊，送到計算機內部。
• 輸出裝置(Output)
把計算得出的結果，送到計算機的外部裝置。
12
- 15. 指令觀念
指令集
使用一種抽象的階層概念，類
似人類的語言，來描述整個細
ENIAC內含3000個開關設
部的設定工作，只要一句話就 ENIAC內含3000個開關設
計，以及人工插拔的電
代表一件事（雖然這件事可能
纜線。
需要複雜的步驟才能完成）。
由於這3000個開關可有各種不同的設定，因而產生多個指
由於這3000個開關可有各種不同的設定，因而產生多個指
令，多個指令的集合形成指令集，指令集定義計算機能夠
提供的硬體功能 。
15
- 18. 0 34 7
操作碼 位址碼
00012=116=把記憶體內容載入AC暫存器（代表Load指令）
00102=216=把AC內容儲存於記憶體 （代表Store指令）
11102=E16=把記憶體內容加入AC暫存器（代表ADD指令）
圖 3 - 2 假想機器的指令格式和操作碼定義
18
- 21. 記憶體 CPU暫存器 記憶體 CPU暫存器
PC
0 0
18 0 PC 18 1
ACC
1 1
E9 ACC E9 03
IR
2 2
29 18 IR 29 18
． ．
Load
． ．
8 8
03 03
9 9
02 步驟一（擷取） 02 步驟二（執行）
圖3-3 第一個指令週期的運作情況
21
- 23. 記憶體 CPU暫存器 記憶體 CPU暫存器
PC
0 0
18 1 PC 18 2
ACC
1 1
E9 03 ACC E9 05
03
IR
2 2
29 E9 IR 29 E9
． ．
ADD
． ．
02+03=05
8 8
03 03
9 9
02 步驟三（擷取） 02 步驟四（執行）
圖3-3 第二個指令週期的運作情況
23
- 25. 記憶體 CPU暫存器 記憶體 CPU暫存器
PC
0 0
18 2 PC 18 3
ACC
1 1
E9 05 ACC E9 05
IR
2 2
29 29 IR 29 29
． ．
． ．
STORE
8 8
03 03
9 9
02 步驟五（擷取） 05 步驟六（執行）
圖3-3 第三個指令週期的運作情況
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- 28. 相對 階層
範例
層次 概念
階層概念 N3
冪次方
3
N*N*N
2 乘法
請試著把N3，改用加法 ( N+…+N )+……………….……+ (N+…+N)
1 加法
來描述？ N個N
N個(N+…+N)
冪次方 = 對某個數進行連續累積的「乘」法
•
乘法 = 對某個數進行連續累積的「加」法
•
28
- 30. 直譯 常見的直譯工具：
編譯器(Compiler)
•
組譯器(Assembler)
多階層電腦語言包含：高 •
階語言和低階語言。
解釋階層的動作常稱為直譯，直譯動作會不斷地進行，一直
到這些指令都變成機器認識的二進位碼。
30
- 31. swap (int v[ ],int i)
{int tem;
高階語言
tem=v[i];
（C語言）
v[i]=v[i+1];
v[i+1]=tem;}
↓
編譯過程 編譯器（Compiler）
↓
swap:
muli $2,$5,4
add $2,$4,2
組合語言 lw $15,0($2)
（MIPS） lw $16,4($2)
sw $16,0($2)
sw $15,4($2)
jr $31
↓
組譯過程 組譯器（Assembler）
↓
00000000101000010000000000011000
00000000100011100001100000100001
10001100011000100000000000000000
機器語言
10001100111100100000000000000100
（MIPS）
10101100111100100000000000000000
31
10101100011000100000000000000100
00000011111000000000000000001000
- 34. 1950年代，各個廠商開始投入
渾沌未明 電晶體計算機的發展。問題在
於：組織的觀念與元件應用技
術並不成熟，大部分的廠商仍
即時IBM內部也有五種不同
即時IBM內部也有五種不同
然站在真空管的角色，各自揣
的架構，局勢十分混亂，
摩電晶體電腦的設計。
似乎演變到不易控制。
IBM希望整理日漸混亂的設計工程，讓所有的機型都有一致
IBM希望整理日漸混亂的設計工程，讓所有的機型都有一致
化的電腦結構，能夠讓各部門之間的協調將變得容易。
34
- 41. S/360系列是電腦工業第一個
相容家族
有計劃發展的電腦家族，這是
相當前瞻的構想，IBM希望以
後所有的電腦都能夠使用同一
在相容家族內，針對某一機
結構，不同的只是實現的組織
型所撰寫的程式，可以在其
與實現的方法。
它機型上執行，不同的只是
執行速度而已。
消費者可以先選用不貴的Model 30入門，日後若需求增加，可
消費者可以先選用不貴的Model 30入門，日後若需求增加，可
以在不犧牲軟體資產下，升級成較多記憶體且較快的機型。
41
- 42. Model Model Model Model Model
特性
30 40 50 65 75
最大記憶體容量(bytes) 64K 256K 256K 512K 512K
記憶體資料轉移速率 0.5 0.8 2.0 8.0 16.0
(Mbytes/s)
處理器週期時間(μs) 0.5 0.25 0.2
1.0 0.625
相對速度 10 21 50
1 3.5
資料通道數目 4 6 6
3 3
單一通道之資料轉移速 800 1250 1250
250 400
率(Kbytes/s)
圖3-6 IBM S/360相容家族的重要特性 42
- 48. 計算機製造最重要的兩個因素：
製程技術（優異穩定性與速度進化）
•
結構設計（科技始終來自人性需求）
•
沒有進化的固態製程技術支援，就沒有優異的結
構設計。相對而言，優異的結構設計不但提昇系
統實用功能，也將對”快速計算”方面，做出貢獻，
比如：快取結構、管線技術、超純量組織、…等
平行處理技術，都將加速計算。
48
