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Chapter II軟硬之間—電腦的程式與硬體

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資料的二進位表示法

資訊在電腦外部及內部表示法上的不同

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二進位與十進位轉換表

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1035 0000010000001011

-10351000010000001011

1’s補數

1111101111110100

2’s補數

1111101111110101負整數表示法

直接符號

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浮點數表示法

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字元(文字)對應到二進位數編碼

ASCII code (美國國家資訊交換標準碼)set

8 bits per character; 256 character codes

UNICODE code (萬國碼)set

16 bits per character; 65,536 character codes

字串是由字元以某種編碼方式所組成的

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Keyboard: CASCII Code: 67Binary: 01000011

ASCII碼轉換表

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http://www.unicode.org/http://www.unicode.org/standard/translations/t-chinese.html

萬國碼轉換表(部份)

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Digitization of an Analog Signal

Sampling the Original Signal

Recreating the Signal from the Sampled Values

000000000000001100000111000001110000010100000000100000111000011010000110

M

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(a) 一個簡單的圖形，(b) 及此圖形的二進位數位化表示法

11

由下而上的硬體設計

電晶體、晶片及電路板間的關係

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x x

xy yx ⋅

xy yx +

基本邏輯閘

NOT閘

AND閘

OR閘

電晶體作為開關的簡化模型

Gate閘極

Drain汲極

Source源極

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x xNOT閘

NOT邏輯閘的硬體實現：(a) 、(b)開關動作，(c) CMOS反相閘

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(a) 二輸入CMOS NAND閘，(b) 二輸入CMOS NOR閘

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『積項之和』(SOP; sum-of-products)方法

步驟一、建立真值表

步驟二、使用AND和NOT建立積項

步驟三、將各積項以OR閘組合起來

步驟四、建構最終電路

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1位元比較器之真值表、電路

111001010100

Outputyx

yx ⋅

yx ⋅

)()( yxyx ⋅+⋅

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The 1-ADD Circuit and Truth Table

1位元加法器

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0121

0121

0121

sssssbbbbaaaa

NNN

NN

NN

L

L

L

−−

−−

−−

+N位元加法器

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馮紐曼(Von Neumann)架構之主要子系統:

Memory (記憶體)Input/Output (輸入/輸出)Arithmetic/Logic unit (算術/邏輯單元)Control unit (控制單元)

儲存程式概念

指令的循序執行

電腦硬體架構

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電腦硬體架構

馮紐曼架構之主要子系統

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電腦硬體架構

RAM (Random Access Memory隨機存取記憶體)

Memory made of addressable “cells”

Current standard cell size is 8 bits

All memory cells accessed in equal time

Memory address

Unsigned binary number N long

Address space is then 2N cells

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電腦硬體架構

隨機存取記憶體的電路架構

記憶體位址暫存器

記憶體位址解碼器記憶體資料暫存器

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Fetch operation (讀取資料)

The address of the desired memory cell is moved into the MAR

Fetch/store controller signals a “fetch,” accessing the memory cell

The value at the MAR’s location flows into the MDR

電腦硬體架構

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Store operation (儲存資料)

The address of the cell where the value should go is placed in the MAR

The new value is placed in the MDR

Fetch/store controller signals a “store,” copying the MDR’s value into the desired cell

電腦硬體架構

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Figure 5.7Overall RAM Organization

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電腦硬體架構

輸入/輸出單元：內存資料與電腦外部的溝通介面

Human interfaces: monitor, keyboard, mouse

Archival storage: not dependent on constant power

External devices vary tremendously from each other

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電腦硬體架構

Volatile storage (揮發性儲存)Information disappears when the power is turned offExample: RAM

Nonvolatile storage (非揮發性儲存)Information does not disappear when the power is turned offExample: mass storage devices such as disks and tapes

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電腦硬體架構

算術/邏輯單元

1.算術運算2.比較(大小、相等)3.布林邏輯運算

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電腦硬體架構

控制單元

Task自記憶體讀取下一個指令

解碼以決定要執行什麼

執行：送訊號、資料到ALU、I/O等

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機器語言

Can be decoded and executed by control unit

Parts of instructions

Operation code (op code)

Unique unsigned-integer code assigned to each machine language operation

Address field(s)

Memory addresses of the values on which operation will work

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機器語言

Figure 5.14Typical Machine Language Instruction Format

00001001 0000000001100011 0000000001100100op code address 1 address 2→ ADD X, Y

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Machine Language:

…

0000 001000001

0011 001000010

0001 001000000

0111 001000000 001000001

1001 000101100

1110 001000001 001000010

1000 000101101

1110 001000000 001000010

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機器語言

Operations of machine language

Data transfer

Move values to and from memory and registers

Arithmetic/logic

Perform ALU operations that produce numeric values

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機器語言

Operations of machine language (continued)

Compares

Set bits of compare register to hold result

Branches

Jump to a new memory address to continue processing

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組合語言

機器語言與組合語言對應表M

停止程式執行HALT1111---略

下個指令由位址X取得JUMP X0110CON(X) + 1 → CON(X)INCR X0101R – CON(X) → RSUB X0100R + CON(X) → RADD X00110 → CON(X)CLEAR X0010R → CON(X)STORE X0001CON(X) → RLOAD X0000

意義組合語言指令機器語言運算碼

M

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組合語言

.BEGINLOAD XSTORE YINCR Y

X: .DATA 3Y: .DATA 1.END

M

指令段

資料段

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高階語言

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高階語言

• FORTRAN VISUAL BASICDo 6, LOOP = 1, 10

READ * , A , BOUT = (A - B) / 4.0PRINT * , A , B , OUT

6 CONTINUEEND

Dim j, outout = 0For j = 1 To 5

out = out + 2 * jNext j

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高階語言

• C語言#include <stdio.h>void main(void){

int x, sum, i; /*宣告x, sum, i為整數變數*/for (sum = 0, i = 1; i <= 5; i = i + 1) {

printf(“Enter x: ”); /*在螢幕上顯示字串*/scanf(“%d”, &x); /*由鍵盤讀入數值到x*/sum = sum + x;}

printf(“sum = %d\n”, sum); /*列印sum*/}

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高階語言

• JAVA public class ArrayExample{/** Provide an example of declaring an Array

using different methodologies **/public static void declareExample(){

System.out.println();System.out.println(“+===============+”);

System.out.println(“| |”);System.out.println(“| Array Declare |”);System.out.println(“| |”);;

System.out.println(“+===============+”);System.out.println();// Example 1// First declare a reference, then construct itint[ ] ExampleArray1;ExampleArray1 = new int[24];

M

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高階語言

•高階程式語言的分類

PROLOG邏輯式(Logical)LISP函數式(Functional)

ASP.NET、C++、JAVA物件導向(Object-Oriented)

ADA 、BASIC、C、COBOL、FORTRAN、PASCAL

命令式(Imperative)程式語言種類

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作業系統

(1)中央處理器的管理

(2)記憶體的管理

(3)檔案的管理

(4)週邊設備的管理

(5)程序的管理

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附註

• 本投影片部分內容取材自：

– G. M. Schneider and J. L. Gersting, Invitation to Computer Science, 3rd Edition: C++ Version, Thomson Course Technology, 2004.

– 趙坤茂, 張雅惠教授, 黃寶萱, 計算機概論, 全華科技圖書公司出版 (2008)。

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