2-1 系統平台的硬體架構 PDF

2-1 系統平台的硬體架構 系統平台 1. 系統平台：電腦系統中讓應用軟體執行的環境 (硬體、軟體、網路通訊) 2. 軟體的類型：系統軟體 (作業系統)、應用軟體 軟體類型 功能 所包含的軟體 作業系統：硬體和應用系統溝通的橋...

2-1 系統平台的硬體架構 系統平台 1. 系統平台：電腦系統中讓應用軟體執行的環境 (硬體、軟體、網路通訊) 2. 軟體的類型：系統軟體 (作業系統)、應用軟體 軟體類型 功能 所包含的軟體 作業系統：硬體和應用系統溝通的橋樑 (Windows 11) 系統軟體 維持電腦系統運 公用程式：用來管理電腦、周邊設備和檔案的維護工作 (檔案輩分、磁碟重組 作的軟體 語言處理程式：翻譯程式成可執行的檔案 (Compiler 編 譯程式) 應用軟體 針對問題所開發 套裝軟體：依照需求智先製作完成，大量發行，適合一 般用途 (MS Word) 的軟體 特定用途軟體：為了解決特殊問題 (會計資訊軟體) 硬體五大單元 單元名稱 功用 輸入設備 (Input Unit, 讀取並轉換輸入媒體內 IU) 的資料 輸出設備 (Output 顯示或儲存電腦處理好 Unit, IU) 的資訊 控制單元 (Control 控制、協調電腦各單元 Unit, CU) 間的相互運作 算術邏輯單元 執行資料的算數、邏輯 (Arithemetic Logic Unit, ALU) 運算 存放程式與資料的裝置 記憶單元 (Memory 主記憶體： ROM RAM、 Unit, MU) 輔助記憶體：硬碟、光 碟 2-1 系統平台的硬體架構 1  1. 中央處理單元 (Central Processing Unit, CPU)：包含控制單元、算術邏輯單元和 少部分記憶單元 (暫存器)，是電腦的核心，評估電腦效能的指標 2. 周邊設備：輸入單元和輸出單元 匯流排 1. 匯流排 (Bus)：電腦上各元件之間傳送資料的管道 (電腦系統內部和外部之間傳輸 數據、地址和控制信號的通道) a. 控制匯流排 (Control Bus) 功能：負責傳輸控制信號，單向傳輸 主要控制信號： 讀取/寫入信號（Read/Write Signal）：指示是要從記憶體或設備中讀取 數據（讀取操作）還是要向其寫入數據（寫入操作） 記憶體讀取/寫入信號（Memory Read/Write）：用來讀取或寫入系統記 憶體 I/O讀取/寫入信號（I/O Read/Write）：用來讀取或寫入I/O設備 中斷請求信號（Interrupt Request）：外部設備發送中斷請求，要求處理 器處理特定事件 中斷確認信號（Interrupt Acknowledge）：處理器響應中斷請求，確認 將進行中斷服務 時脈信號（Clock Signal）：提供系統時脈，協調各部件的操作 b. 位址匯流排 (Address Bus) 功能：用來傳輸記憶體位址，單向傳輸 特點： 單向性：位址匯流排通常是單向的，從處理器 (算術邏輯單元) 到記憶體 (記憶邏輯單元) 或 I/O 設備 寬度（位寬）：位址匯流排的位寬決定了系統能夠尋址的最大記憶體容 量。例如，一個 32 位的位址匯流排可以尋址 4 GB (232 的位元組) 的記 憶體 c. 資料匯流排 (Data Bus)：負責傳送資料，為雙向傳輸 特點： 2-1 系統平台的硬體架構 2  雙向性：資料匯流排通常是雙向的，可以傳輸數據到處理器，也可以從處 理器傳輸數據到記憶體或I/O設備 寬度 (位寬)：資料匯流排的位寬決定了每次數據傳輸的量。例如，64位的 資料匯流排每次可以傳輸8個位元組的數據 2. CPU 匯流排的意義 a. 資料匯流排寬度 (位元數、排線數)：表示 CPU 的位元數。若資料匯流排的排 線有 m 條，則 CPＵ 一次能處理或存取 m 位元，表示此部點腦為 m 位元的 電腦 影響： 1. 數據傳輸速度：寬度越大，每次傳輸的數據量越多，數據傳輸速度越快。 例如，32位資料匯流排一次可以傳輸32位元 (4個位元組) 的數據，而64 位資料匯流排一次可以傳輸64位元 (8個位元組) 的數據。 2. 處理器性能：較寬的資料匯流排允許處理器在較短的時間內處理更多的數 據，提高了系統的整體性能。 b. 位址匯流排寬度 (位元數、排線數)：表示 CPU 最大的定址空間。如果位址匯 流排排線有 n 條，此部電腦可定址的最大記憶體空間 (容量) 為 2nBytes 總結 資料匯流排的寬度決定了每次數據傳輸的數量，直接影響數據傳輸速度和處理 器性能 位址匯流排的寬度決定了系統能夠尋址的最大記憶體容量 3. m 位元的電腦中，CPU 一次能處理的資料量可以 Word (字組) 為單位 (1 Word = m bits) 4. 記憶體位址 (Adress)：是指電腦主記憶體中資料存取位址的編號，定址 (Adressing) 是指電腦指定或找出正確位址的動作 主機板的組成 組件名稱 功能說明 CPU 插槽 用於安裝中央處理器（CPU），根據不同平台有不同類型（如Intel的 LGA、AMD的AM4）。確保處理器與主機板其他組件的有效連接和通信 安裝系統記憶體（RAM），通常有DDR2、DDR3、DDR4和DDR5等類 記憶體插槽 型。提供臨時數據存儲，以提高系統運行速度和性能。針腳設計方式不 同，插槽不可共用 2-1 系統平台的硬體架構 3  組件名稱 功能說明 負責管理數據流動並協調CPU、記憶體和外部設備之間的溝通。通常包 晶片組（Chipset） 括北橋（處理高速元件如CPU和記憶體）和南橋（處理低速元件如I/O設 備）。現代晶片組集成度更高，常常合併北橋和南橋功能。 BIOS/UEFI 芯片 存儲基本輸入輸出系統（BIOS）或統一可擴展韌體接口（UEFI），在系 統啟動時初始化硬件並提供硬體層級控制。 電源接口 連接電源供應器，以提供穩定電力給主機板及其組件。常見接口包括24- pin主電源接口和8-pin CPU電源接口。 高速擴展插槽，用於連接顯示卡、網卡、聲卡和其他擴展卡。根據帶寬不 擴展插槽（PCIe） 同，有 x1、x4、x8 和 x16 等類型。現代顯示卡通常使用 PCIe x16 插 槽。 用於連接硬碟、固態硬碟（SSD）和光碟機等存儲設備，支持熱插拔和 SATA 接口 多設備連接。現代主機板常見有SATA 3.0接口，提供6Gbps的數據傳輸 速度。 M.2 插槽 用於連接高速固態硬碟（SSD），支持NVMe協議，提供更快的數據傳輸 速度，提升系統整體性能。M.2插槽還可以連接無線網卡和藍牙模塊 高速 USB 接口，提供高達 5 Gbps 的數據傳輸速度，用於連接各種外部 USB 3.0 設備如鍵盤、滑鼠、外置硬碟和 USB 記憶棒等。相較於 USB 2.0，具有 更高的傳輸速度和更大的電力輸出。 網路接口 用於連接有線網絡，一般為RJ-45接口，支持10/100/1000 Mbps或更高 的以太網速度。某些主機板還配備Wi-Fi模塊，提供無線網絡連接。 標準 3.5mm 音頻插孔，用於音頻輸入和輸出。包括耳機插孔（綠色）、 音效插孔 麥克風插孔（粉紅色）和線路輸出插孔（藍色）。高階主機板可能還配備 光纖音頻輸出（S/PDIF），提供未壓縮的數位音頻信號傳輸，確保更高 質量的音頻體驗。 數位顯示接口，用於連接顯示器，支持高分辨率和高刷新率，並且可以傳 DisplayPort 輸音頻和其他數據。常用於高性能顯示卡和顯示器之間的連接。 高解析度多媒體接口，用於傳輸視訊和音訊信號。廣泛應用於電腦和顯示 HDMI 器、電視、投影機等設備之間的連接，支持高清和超高清解析度。 VGA (類比訊號) 模擬視訊接口，用於連接顯示器和投影機。雖然逐漸被數位接口取代，但 仍在一些較舊的設備上廣泛使用，支持標準分辨率和部分高清分辨率。 數位視訊接口，用於連接顯示器，支持高分辨率影像傳輸。有多種版本， DVI 包括 DVI-D（數位）、DVI-A（類比）和 DVI-I（數位和類比），在過渡 期廣泛應用。DVI 支持最大解析度 2560x1600。 連接風扇和散熱器，包括CPU風扇插座（CPU_FAN）、機箱風扇插座 散熱系統接口 （CHA_FAN）等。某些高階主機板還有水冷泵插座（W_PUMP）以支持 水冷系統。 2-1 系統平台的硬體架構 4  組件名稱 功能說明 CMOS 電池 提供電力給CMOS芯片，以保存BIOS設置和系統時間。通常為CR2032 鋰電池。 連接機箱前面板的按鈕（電源按鈕、重啟按鈕）、LED（電源指示燈、硬 前面板接針 碟指示燈）和音頻端口。這些接針使得用戶可以從機箱前面板控制和監視 計算機。 顯示 提供錯誤代碼顯示，幫助用戶診斷和排除硬體問題。某些主機板還有錯誤 Debug LED/ 蜂鳴器或POST顯示器。 多媒體接口 包括HDMI、DisplayPort，用於連接顯示器，傳輸視訊和音訊信號。有 些主機板還有VGA或DVI接口。 內建 I/O 接口 包括鍵盤/滑鼠接口（PS/2）、串行端口（COM）、並行端口（LPT） 等，主要用於連接較舊的外圍設備。 內建功能按鈕 一些高階主機板配有內建按鈕如電源按鈕、重啟按鈕、CMOS清除按鈕 和BIOS Flash按鈕，方便用戶在無機箱的情況下進行操作和故障排除。 電壓監控點 供發燒友和專業人士監測主機板上不同區域的電壓，通常以插針形式呈 現，需搭配專業設備使用。 燈光接口 用於連接和控制RGB燈條和燈具，提供個性化的燈光效果。常見有12V RGB和5V ARGB接口。 RGB 診斷顯示 提供錯誤代碼顯示，幫助用戶診斷和排除硬體問題。某些主機板還有錯誤 蜂鳴器或POST顯示器。 主機板電池 提供電力給主機板上的CMOS記憶體，以保持時間和BIOS設置，通常與 CMOS電池合二為一。 內建I/O接口 包括鍵盤/滑鼠接口（PS/2）、串行端口（COM）、並行端口（LPT） 等，主要用於連接較舊的外圍設備。 RJ-45 連接網路線 PCI Express * 16 擴充槽 連接顯示卡，比 AGP 擴充槽快速 PCI Express * 1 擴 取代 PCI，連接一般介面卡 (網路卡) 充槽 CPU 的效能 1. CPU 的速度：CPU內部處理的頻率 (內頻)，也就是時脈頻率，通常用來衡量電腦 的執行速度，單位為 Hz (赫茲，每秒可執行的時脈次數) 2. 時脈週期 (Clock Period) 指的是執行一個時脈所需的時間 (與時脈頻率互為倒數) 3. MIPS (每秒執行百萬個指令數 1M = 106 )：計算電腦指令的單位 2-1 系統平台的硬體架構 5  4. 核心數量（Cores） 單核 vs 多核： 早期的CPU是單核的，現在的CPU通常有多個核心（例如雙 核、四核、六核、八核及更多）。多核CPU可以同時處理多個任務，提高多 任務處理效率 超線程 (Hyper-Threading)： 這是一種技術，通過在每個物理核心上運行多 個邏輯線程（通常為兩個），有效地提高處理能力。例如，Intel的超線程技術 5. 時鐘速度 (Clock Speed) 基本頻率（Base Clock Speed）: 指CPU 在正常操作下的工作頻率，以GHz (千兆赫) 為單位 加速頻率 (Boost Clock Speed): 當需要更高性能時，CPU可以暫時超越其基 本頻率運行，以提高運行速度 6. 指令集架構 (Instruction Set Architecture, ISA) x86 vs ARM：x86架構 (如Intel和AMD處理器) 和ARM架構 (如手機處理器) 是兩種主要的指令集架構。x86通常用於高性能計算，而ARM更注重低功耗和 移動設備 7. 快取記憶體 (Cache Memory) L1 Cache：位於每個核心內部，速度最快，容量最小 L2 Cache：每個核心專用，容量和速度介於L1和L3之間 L3 Cache：多個核心共享，容量最大，但速度最慢 8. 架構設計 (Microarchitecture) 流水線 (Pipeline)：流水線設計可以提高CPU指令的執行效率。 分支預測 (Branch Prediction): 提高CPU在條件分支指令中的執行效率。 多級快取和預取 (Cache and Prefetching)：優化數據存取速度和效率 多核心 CPU 1. 把多個運算核心 (ALU) 放入一顆 CPU IC 中，相同體積的 CPU 晶片具有同時執 行多個獨立運算的功能 2. 使用多核心 CPU，可以在執行多個城市之間發揮良好效能 CPU 的暫存器 2-1 系統平台的硬體架構 6  暫存器 (Register)：屬於記憶體的一種，CPU 內部。用來暫存正在執行的指令位址或 資料。執行速度快，但價格高 種類 用途說明 程式計數器 ， ，存放下一個要執行的 Program Counter PC 指令在主記憶體中的位址 指令暫存器 存放 CPU 正在執行的指令 位址暫存器 存放 CPU 要存取資料在主記憶體的位址 記憶體緩衝暫存器 存放剛從記憶體中讀取或預備寫入記憶體中的 記憶體資料暫存器 資料或指令 通用暫存器 暫存資料和位址 (n 位元的電腦表示通苑暫存器 的位元為 n bits) 累加暫存器 儲存 ALU 計算產生中間結果 旗標暫存器 可隨時記錄 CPU在執行各種運算後的狀態 CPU 的運作與處理 1. CPU 最基本的運算為加法 2. CPU 的指令架構：運算碼 (OP Code) + 運算元 (Operand)，運算碼指的是該指 令想要執行的動作，運算元是執行的資料 (C = B + A，符號是運算碼，ABC 為運 算元) 3. CPU 的指令運作週期稱為機器週期 (Machine cycle) a. 擷取：根據程式計數器 (PC) 提供的位址從主記憶體內擷取出指令，並將指令 儲存在指令暫存器 (IR) 中 b. 解碼：由控制單元對指令暫存器中的指令解碼，得知指令動作 c. 執行：由算術邏輯單元執行 d. 儲存：將執行結果回存到主記憶體或是暫存器 2-1 系統平台的硬體架構 7  4. CPU 指令集 a. 複雜指令集 (CISC)：指令數目過多，每個指令具有較強的處理能力，帶設計 複雜導致步驟過多，不力於平行設計 b. 精簡指令集 (RISC)：指令數目較少，功能簡單，所以執行速度較快，適合採 用管線處理架構的設計。指令精簡化後造成應用程式碼變大，需要較大的程式 記憶體空間 5. 平行處理：CPU 同時處理多個執行緒，以加快處理速度，多核心 CPU 能利用多 個處理核心同時運作，發揮到平行處理的效果 a. 資料平行：將資料分解後，分給多個處理器進行相同處理方式進行處理 b. 任務平行：不同處理器針對同一份資料分別進行不同處理 6. 圖形處理器 (Graphics Processing Unit, GPU)：又稱繪圖處理器，負責電腦中顯 示與繪圖相關工作的微處理器 時間單位 單位 換算公式 ，毫秒) ms (millisecond 1 ms = 10^-3 s μs (microsecond，微秒) 1 μs = 10^-3 ms =10^-6 s ns (nanosecond，奈秒) 1 ns = 10^-3 μs = 10^-6 ms =10^-9 s ps (picosecond，披秒) 1 ps = 10^-3 ns = 10^-6 μs = 10^-9 ms =10^-12 s 記憶體的類別 2-1 系統平台的硬體架構 8  RAM ( 隨機存取記憶體)(Random Accesss Memory) 1. RAM (隨機存取記憶體)：可讀取或是寫入程式，電源消失資料也消失 (揮發性記 憶體) 2. 動態隨機存取記憶體 (Dynamic RAM，DRAM)：必須充電更新儲存資料才不會消 失 (電腦、手機的記憶體) 3. 靜態隨機存取記憶體 (Static RAM, SRAM)：不須持續充電更新，即可保存資料 4. 視訊隨機存取記憶體 (Video Random Access Memory, VRAM)：用在影像加速 卡儲存圖行顯示得像素值 ROM ( 唯讀記憶體) (Random Only Memory) 1. 可讀取但不能寫入資料，電源消失資料不會消失 (非揮發性記憶體)，適合用來存 放開機自我測試 (POST) 程式與基本輸入輸出系統 (BIOS) 2. 電子可抹除可程式化唯讀記憶體 (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM)：可利用電流訊號刪除或寫入資料，常用在智慧卡的讀 寫上 3. 快閃記憶體 (flash memory, flash ROM)：用電流訊號刪除或寫入資料，速度較 EEPROM 快，成本較低，用在智慧型手機、隨身碟、記憶卡、固態硬碟、BIOS 4. 基本輸入 / 輸入系統 (Basic Input/Output System, BIOS) a. 存於 flash memory 中 b. 可於電腦開機時使用 BIOS 更新程式更改內容 c. 開機自我測試 (POST)：電腦開機後自動分析及測試系統硬體組態 (CPU 型 號、記憶體大小) d. 可設定開機順序 快取記憶體 1. 快取記憶體 (Cache Memory)：大多採用 SRAM 為材質，用來存放下一個執行或 常用的程式指令與資料，可減少對主記憶體 (DRAM) 才取次數，提升電腦整體執 行速度 2. 存取速度：L1 > L2 > L3 2-1 系統平台的硬體架構 9  輔助記憶體 用來儲存大量的程式和資料，關閉電源後資料不會消失，具有永久存放資料的特性， 成本比主記憶體低，但速度比主記憶體慢 硬碟 (Hard Disk, HDD) 1. 磁碟構造 a. 磁軌 (Track)：每個磁片上有上限兩個磁面 (Surface)，每個磁面由許多同心 圓組成，每一個同心圓稱為磁軌 b. 磁區 (Sector)：每個磁軌上被切割為許多磁區，磁區是硬碟最小邏輯單位 c. 磁柱 (Cylinder)：一個硬碟通常由數片的磁片相疊而成，每張磁片上編號相同 的同心圓磁軌上下相疊形成的空心圓柱稱為磁柱 d. 磁叢 (Cluster)：由多個連續磁區組成一個磁叢，又稱為基本配置單元，是存 取硬碟資料最基本的單位 e. 儲存單位大小：磁碟 > 磁柱 > 磁軌 > 磁叢 > 磁區 2. 硬碟轉速 RPM：(Rotation Per Minute，每分鐘旋轉速度)，磁碟轉速越高，效能 岳家，市面上多為 5400、7200 轉 3. 磁碟存取時間 (Access Time) a. 磁軌找尋時間：磁碟機將讀寫頭移到目的磁柱所需時間 b. 磁片旋轉時間：將要讀寫的詞曲旋轉到讀寫頭下方所需的時間。一般都取旋轉 時間的二分之一，即平均旋轉時間 c. 資料傳輸時間：讀寫頭由碟片讀出資料並傳到 RAM 所需時間，或是將 RAM 的資料傳送到磁碟機並寫入硬碟所需時間 4. 固態硬碟 (SSD, Solid State Disk) a. 採用快閃 (Flash ROM) 記憶體，不同於傳統的碟片結構，無轉速 b. 使用 SATA、PCI Express、M.2 等介面，有一定的寫入次數限制，最後會無 法寫入變成唯讀 5. 行動硬碟：外接式硬碟，通常採用 USB 傳輸介面，可隨插即用，方便外出攜帶使 用 光碟 2-1 系統平台的硬體架構 10  光碟上塗覆一層金屬薄膜，利用雷射光辨認資料 1. 容量：CD < DVD < BD 2. 讀寫速度：CD (150KB/S) < DVD (1350KB/S) < BD (4.5MB/S) 隨身碟 (USB flash drive) 1. 使用快閃記憶體 (Flash ROM、Flash Memory) 為材質，屬於不揮發性記憶體 2. 使用 USB 為傳輸介面，具有 USB 的熱插拔與隨插即用的特性 記憶卡 1. 使用快閃記憶體 (Flash ROM、Flash Memory) 為材質，屬於不揮發性記憶體 2. 常見的記憶卡種類：SDHC (高容量)、SDXC (超容量)、Micro SD、CF 記憶體比較 1. 存取速度由快到慢 (越靠近 CPU 者，存取速度越快，儲存容量正好相反)： 暫存器 > SRAM (L1 > L2 > L3) > DRAM > 硬碟 > 隨身碟 > 光碟 2. 資料載入記憶體的順序 輔助記憶體 → DRAM → 快取記憶體 (L1 → L2 → L3) → CPU 內暫存器 手機硬體 類別 Apple Android CPU Apple A17 Pro 6 核心 Qualcomm Snapdragon 865 8 核心 作業系統 iOS Android 主記憶體 RAM 4 GB 12 GB 內建儲存空間 ROM 512 GB 512 GB 2-1 系統平台的硬體架構 11