《CPU资料处理》PPT课件

CPU資料處理資料處理醫務管理暨醫療資訊學系陳以德 副教授:濟世CS202-307-3121101 轉 2648-25學習目標電腦分類與速度算術邏輯單元Arithmetic/Logic Instructions指令集匯流排CPU相關技術晶片組電腦分類超級電腦(Supercomputer)、大型主機(Mainframe)醫院主機、氣象用電腦、軍事用電腦迷你電腦、工作站(Work Station)IC設計、學校主機個人電腦(Personal Computer)筆記型電腦(Notebook)、平板電腦(Tablet PC)PDA（個人數位助理，Personal Digital Assistant)、智慧型手機內嵌式電腦電視遊樂器、印表機、汽車、洗衣機、手機內也有電腦電腦速度電腦速度，真正的指標是電腦解決問題的時間（有時難以量度），一般有以下的幾種參考指標：CPU clock rate:目前最高大約是3-4GCore and Thread 核心與執行緒MIPS（million instructions per second)MFLOPS(每秒鐘百萬次浮點運算）註：浮點運算：1.37 x 10103這類的運算以上這些指標，過度重視CPU的表現，而忽略了電腦整體的表現，其實IO以及記憶體速度也會影響電腦的速度。電腦效能CPU time:真正使用 CPU 的時間Instruction time 指令時間:控制單元從讀取到解讀完指令的時間Execution time:ALU 從運算,運算完存入暫存器的時間Throughput:每單位時間所完成的process數量 Turn around time:一件工作被提出至完成的時間 CPI cycles per instruction:指令所需平均週期數指令集RISC：精簡指令集電腦使用少量、較常用的,且功能較簡單的基本指令,來完成複雜的指令透過將指令較簡單且種類減少,所以每個指令執行的速度較快CISC：複雜指令集電腦設計較為複雜,功能強大,因此可以很容易處理很複雜的指令,但每個指令耗時較長透過大量的指令種類，以減少所需指令數量CISC v.s.RISCCISCRISC使用電晶體數多少指令個數多少指令功能單一指令功能強僅常用基本指令所需指令週期長短Pipeline執行效能較差較佳電腦速度（二）測速程式：SPEC(http:/www.spec.org)，測運算速度TPC(http:/www.tpc.org)，測跑資料庫速度WinBench(http:/)，測PC速度CPU Speed Professional,Super PI,Hyper PI隨著電腦的硬體架構越來越複雜，電腦速度的問題就越來越難以用單一指標來評定，常常必須視電腦的用途來決定採用何種機器。例如：Athlon和Pentium 4，Athlon整數運算比P4快，而浮點運算比P4慢的狀況(大部分的辦公室工作用到的都是整數運算）CPU(需改畫)各式CPU圖片取自 Intel,AMD,ARM,AppleCPU相關技術（一）CPU全名 Central Processing Unit(中央處理單元CPU 包含控制控制(CU,Control Unit)及算術算術/邏輯邏輯(ALU,Arithmetic/Logic Unit)兩大單元匯流排寬度與處理器位元數（32、64位元)指令Prefetch、內含Cache memory(隔壁書店的例子）指令大多數是依序進行的利用程式執行Locality(時間、空間)的特質來加速現在執行的指令與資料，等一下可能會用到（時間）目前執行的指令與資料附近的資料附近的資料，等一下可能會用到(空間)CPU之暫存器暫存器暫存器(Register)是 CPU 內部用來暫時存放資料的地方,是相當重要的一個元件。暫存器其實就是記憶體,位於記憶體階層記憶體階層的最上層,主要是為了配合 CPU 的高速運算而設置。匯流排電腦上各元件傳送資料的管道就是匯流排匯流排(Bus)內部匯流排內部匯流排(Internal Bus)：CPU 內部用來傳送資料的通道。控制單元、算術/邏輯單元及暫存器在讀取、存放資料時,都是經過內部匯流排系統匯流排系統匯流排(System Bus,或 Processor System Bus)：CPU 與主機板上晶片組傳送資料的通道擴充匯流排擴充匯流排(Expansion Bus)：晶片組和主機板上除了 CPU 之外的各元件傳送資料的通道匯流排示意圖(需改畫)CPU相關技術（二）教室桌面書店世界Cache或Prefetch的觀念CPUCachememoryRAMCachememoryRAM硬碟CPU相關技術（三）平行處理：Pipeline:類似工廠輸送帶Super Scalar:一次可以執行兩個以上的指令SMP:一台機器有兩個以上相同的CPUSIMD:同一個指令下達給一群硬體一同工作Vector machine：一個指令直接處理一組資料VLIW(EPIC):一次直接對很多不同的執行單元下命令亂序執行、分支預測A=B+1C=A x 3D=B x 4E=B-6Super scalar:3out of order:2CPU相關技術（四）(需改畫)originpipelineSuper ScalarSIMDVector machineCPU相關技術（五）VLIW(EPIC)SMPHyper Threading:同時執行多執行緒的程式Multi-Core(多核心多核心)：一個CPU晶片裡面真的有兩個以上的CPU（每個Core裡面還可以是Hyper Threading）散熱問題：散熱片、散熱風扇、導熱管、水冷Power問題：自動降速 SpeedStep技術、Cooln Quiet技術CPU相關技術（六）多核心若將若將 CPU 比喻為煮咖啡：比喻為煮咖啡：單核心單核心就像只有一位店員,一次只能煮一杯咖啡加上 Hyper-Threading 技術,那麼這位店員就能一次煮兩杯咖啡,不過必須輪流煮這兩杯咖啡雙核心雙核心就像是兩位店員,可以同時煮兩杯咖啡若雙核心再加上雙核心再加上 Hyper-Threading 技術,那麼這兩位店員就可以同時煮四杯咖啡！CPU 時脈的計算方式如下：CPU 的內頻的內頻=CPU 的外頻的外頻 倍頻係數倍頻係數內頻內頻(Internal Clock)：是 CPU 內部在工作時的頻率,以 Pentium 4 3.2G 的CPU 為例,其內頻即是 3200 MHz外頻外頻(External Clock)：是主機板供給 CPU 的時脈頻率倍頻係數倍頻係數(Clock Multiplier Factor)：將主機板供給的外頻*倍頻係數，就會得到內頻CPU 的工作時脈晶片組晶片組主機板上裝置、元件間溝通與控制的樞紐通常晶片組由北橋北橋(North Bridge)與南橋南橋(South Bridge)晶片所組成北橋北橋近來整合進 CPU 內部北橋北橋CPU、記憶體、顯示卡等高速裝置南橋南橋PCI、USB、RS-232、IDE、BIOS、音效、網路等週邊設備23SUMMARY電腦分類與速度算術邏輯單元Arithmetic/Logic Instructions指令集匯流排CPU相關技術晶片組