# 目錄(contents)
### [2.1 16bit intel processor architecture](#2.1)
- 2.1.1  Central Processing Unit
- 2.1.2  Registers
- 2.1.3  Status and Control Unit
### [2.2 32bit intel processor architecture](#2.2)
- 2.2.1  Improved Execution Cycle
- 2.2.2  32bit Register Set
### [2.3 Operating System and Memory](#2.3)
- 2.3.2  Memory Architecture
- 2.3.3  System Startup Procedure
### [2.4](#2.4)
- 2.4.1  Internal Components
- 2.4.3  Bus Architecture
- 2.4.5  Memory (RAM)
- 2.4.6  Video RAM
- 2.4.7  Secondary Storage Devices
# 2.1
- **因為intel處理器系列，包含各式功能差異極大的處理器，2.1我們將針對討論16位元的8086/8088以及80286處理器，2.2我們將會討論32位元的80386以及Intel486和Pentium處理器**
### 2.1.1 Central Processing Unit
- **CPU 可以簡化為三個基本步驟：取得、解碼、執行，當然中間還包含過度的步驟。**
  **取得下一指令:**
    **將其放入佇列區域之中**
    **更新程式計數器**
  **解碼指令:**
    **執行地址轉換**
    **從記憶體中取得操作符**
  **執行指令:**
    **執行所需的計算**
    **將結果儲存在記憶體或是暫存器中**
    **設定附加到 cpu 的狀態標誌**<br>
  **CPU 透過連接到電腦主機板上的 CPU 插槽的引腳，與電腦的其餘部分相連，這些引腳代表外部的資料匯流排、位址匯流排和多樣的電壓和控制引腳，都會去影響CPU運作。**
  **資料匯流排和位址匯流排(address and data bus)，內部的資料匯流排是串聯和並聯的導線它們在CPU多個不同的部分中傳遞資料，當資料必須從外部的記憶體中讀取，控制單元將會計算它的位址和所在地透過資料匯流排，記憶單元(在主機板的另一個處理器)會瀏覽資料匯流排並且請求這筆資料，資料到CPU的信號準備好後，CPU會傳輸這筆資料到內部的儲存區域。**
  **暫存器(registers)，在CPU的高速儲存區域叫暫存器，它直接與控制單元(CU)和運算邏輯單元(ALU)連接，因為暫存氣存取比記憶體存取更快速，指令只有使用執行暫存器會快於有記憶體操存取。**
  **時脈(clock)，涉及CPU和系統匯流排的每個操作都由內部同步以恆定速率發出時脈，大多數的機器指令的基本時間單位叫機器週期(machine cycle)，以一秒百萬次循環為單位(MHz)，Pentium處理器的執行時脈在200-400MHz。**
### 2.1.2 Register:
- **暫存器是直接位於CPU的8,16,32位元的高速儲存單元，被設計提供比記憶體更方便和快速的存取，CPU內部有資料匯流排通常是外部資料匯流排的兩倍寬，尤其當必須優化處理循環以提高速度時。**
  **暫存器被這個表格分類為，general(Data), index, segment, status and control(Flag)，類別名稱可能因來源而異，Flag暫存器由二進位的位元組成控制CPU的操作或反映某些CPU操作的結果，他們被叫做溢位、方向、中斷、陷阱、符號、0、輔助、奇偶、進位。**
  **資料暫存器，被運用在算術和資料移動，AX暫存器是16位元暫存器，較高的8位元暫存器叫做AH，較低的8位元暫存器則叫做AL，並且AH和AL組成一個AX，當然我們也可以藉由操做AL和AH去改變AX。**
  **指令可以被定址於任一個16位元的暫存器，像是AX, BX, CX, DX，當然也能8位元暫存器，AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, DL，當16位元暫存器被修改，與之連動的8位元暫存器也會被影響。**
  **當然每個暫存器也有各自特殊的作用和用途**
- **AX(accumulator)是累加器，因為他特別經常被運用在CPU的算術運算，當其他的運算使用AX時也會更有效率。**
- **BX(base)可以保存過程或變數的位址，SI, DI, BP, BX, SP皆可以做到類似的功能。**
- **CX(counter)它的功能是計數為了重複和迴圈的指令，指令會自動地重複和遞減CX**
- **DX(data)DX 在乘法和除法運算中具有特殊作用，他可以處理高於16位元的計算。**
  **部分暫存器(segment registers)，CPU內含有4個被用來程式指令的基底位置。**
- **CS(code segment)CS 用來儲存程式碼段的基址。這意味著它指向當前執行的程式碼所在的記憶體區段。在運行程式時，CPU 會參照 CS 來知道程式指令的起始位置。**
- **DS(data segment)DS 儲存的是資料段的基址，這是程式用來儲存全域變數、靜態變數等資料的記憶體區段。當程式需要存取變數或常數時，CPU 會使用 DS 來定位資料所在的位置。**
- **SS(stack segment)SS 儲存的是堆疊段的基址。堆疊區段是用來處理函數呼叫時的局部變數和返回地址等資料。當執行推入（push）或彈出（pop）操作時，CPU 會使用 SS 來操作堆疊。**
- **ES(extra segment)ES 是額外段的基址，通常用於字串處理等操作。在某些情況下，ES 被用來處理額外的資料段，特別是在處理指向資料或其他緩衝區的指標時，ES 可以用來保存額外的記憶體位址。**
  **索引暫存器(index registers)一組特殊的暫存器，用於記憶體的位址計算，尤其是在陣列操作、字串處理等過程中。這些暫存器能夠支持更靈活的記憶體存取，並協助 CPU 在記憶體中定位和處理資料。以下是每個索引暫存器的介紹：**
- **BP(base pointer)**
- **用途：BP 是基指標暫存器，通常用於堆疊操作，特別是在函數呼叫過程中。當進入一個函數時，BP 會保存當前的堆疊基址，以便於在函數結束時可以方便地返回到先前的堆疊位置。通常，在 x86 架構中，BP 會用來指向函數的參數或局部變數的起始位置。**
- **使用情境：在調用函數時，BP 存儲了堆疊中保存的返回地址或局部變數的基址，使得程式可以更容易地處理這些資料。**
- **SP(stack pointer)**
- **用途：SP 是堆疊指標暫存器，用來指向堆疊的頂端，也就是最新推入堆疊的資料的位置。當進行 push 操作時，SP 會向低位址移動；當進行 pop 操作時，SP 會向高位址移動。它對於堆疊的管理至關重要，幫助 CPU 跟蹤堆疊的變化。**
- **使用情境：SP 主要用來管理函數的返回地址、局部變數及其他由堆疊管理的資料。**
- **SI(source index)**
- **用途：SI 是源索引暫存器，主要用於字串或記憶體區塊的處理。它通常指向源資料的起始位置，在某些指令中，例如字串複製或移動，SI 用來指定來源位址。**
- **在字串處理指令中，SI 用來指向字串的來源位置，幫助執行字串的讀取或處理。例如，在 MOVS 指令中，SI 用來指向資料來源位置。**
- **DI(destination index)**
- **用途：DI 是目標索引暫存器，與 SI 配對使用，指向資料複製或移動的目標位置。當進行字串或記憶體區塊複製時，DI 會指向目的地記憶體位置。**
- **使用情境：在字串處理指令中，DI 用來指向資料的目標位置，幫助執行字串寫入或移動。例如，在 MOVS 指令中，DI 用來指向目的地位置。**
### 2.1.3 Status and Control Registers
**這些寄存器對於 CPU 操作至關重要，因為它們：
指示狀態：通過狀態標誌，處理器可以得知最近運算的結果，並決定接下來的操作（例如條件分支）。
控制操作：控制寄存器可以決定 CPU 運行的模式、是否接受中斷、是否進行頁面交換等。
支援多任務：它們能夠支援多任務處理和處理器模式的切換。**
# 2.2
### 2.2.1 Improved Execution Cycle(與計算機架構相關)
- **80386處理器是Intel第一款包含平行階段的執行週期，以下六個部分即是它的組成和功能:**
- **Bus Interface Unit(BIU,總線介面單元)，記憶體存取和提供I/O**
- **Code Prefetch Unit(CPU,預取得程式單元)，接收從BIU的機器指令並插入到CP佇列**
- **Instruction Drcode Unit(IDU,指令解碼單元)，解碼CP佇列的機器指令並轉譯為微碼**
- **Excution Unit(EU,執行單元)，藉由IDU執行微碼指令程序**
- **Segment Unit(SU,段單元)，轉換邏輯地址到線性地址並執行保護檢查**
- **Paging Unit(PU,分頁單元)，轉換線性地址到實體地址，執行分頁保護檢查，保留最近造訪的頁面列表**
### 2.2.2 32bit Registers Set
- **EAX, EBX, ECX, EDX都只是前面兩個16位元單元組成而已，但是新增了FS和GS，他們可以更好的處理特殊的運作需求。**
### 64bit Registers Set
# 2.3
### 2.3.2 Memory Architecture
- **記憶體的前1024byte 被包含一個32位元的位址表叫做中斷向量表(interrupt vector table)，這些向量被叫做中斷向量(interrupt vectors)，CPU會依照這些中斷向量去執行中斷任務。**
- **中斷向量表的上面就是軟體BIOS例程，包括鍵盤、系統控制台、印表機，BIOS例程從系統中叫做io.sys.的隱藏檔案被載入的，內核是一個子例程被從msdos.sys.加載。**
- **在 MS-DOS 的架構中，檔案緩衝區和可安裝的裝置驅動程式都是位於核心之上的部分。這表示它們依賴於核心的基本功能，並通過核心來完成操作。核心負責基本的檔案管理和 I/O 功能，而檔案緩衝區用來優化資料存取效率，裝置驅動程式則用來擴充作業系統的硬體支援能力。這樣的設計使得 MS-DOS 雖然簡單，但具有一定的擴充性。**
### 2.3.3 System Starup Procedure
- **CPU會跳到ROM BIOS中初始化，一個進程叫做bootstrap loader(引導程式)會從已經被設計作為開機驅動的裝置讀取啟動紀錄，啟動紀錄包含一個載入後立刻執行的程序，這個程序會依序加載 io.sys. 和 msdos.sys 程序最後會被加載進入記憶體中的命令處理器。**
- **Command.com的常駐部分會一直留在記憶中，它發出錯誤訊息當有要處理Critical errors，初始化進程會讀取 autoexec.bat file ，他僅在載入 MS-DOS 時使用，瞬態部分被載入到高 RAM 中並解釋在鍵盤上鍵入的 DOS 命令，最終，Command 會完全接管系統，並成為命令行界面的核心部分。用戶在 MS-DOS 提示符 下輸入的命令會被 Command解釋並執行。也就是說，它充當整個系統的命令解析器，處理用戶輸入並執行相應的操作。**
**下一步，DOS會尋找一個檔案config.sys載windows載入如下:**
```batch=1
DOS = HIGH
LASTDRIVER = G:
DEVICEHIGH /L:1,14016 = MTMCDAI.SYS /D:MTMTDE01
DEVICEHIGH /L:1,12048 = SETVER.EXE
```
- **設定 DOS=HIGH 可以讓 DOS 運行在 高內存區（HMA，High Memory Area）中，以便節省寶貴的常規內存。**
- **它的主要作用是在加載設備驅動程序時，保證 G: 驅動器 是最後一個被處理的設備。**
- **這一行是將驅動程序 MTMCDAI.SYS 加載到內存中。**
- **這行也是將一個程序（SETVER.EXE）加載到高端內存區。**
**Autoexec.bat File:在執行 config.sys 指令後，作業系統會載入和執行 autoexec.bat 檔案中的每個命令，並被儲存在啟動硬碟的跟目錄中，**
```batch=1
@ECHO OFF
SET PATH=C:\DOS;C:\WINDOWS\COMMAND
C:\DOS\MSCDEX.EXE /D:MSCD001
C:\WINDOWS\SMARTDRV.EXE
```
**以上大多皆是有關環境變數設定的指令。**
# 2.4
- **這章節聚焦於電腦的結構，可以從宏觀的角度看硬體以及周邊設備，然後探討 intel 處理器的內部細節，最後探討軟體的架構，包括記憶體組織，他又如何與硬體互動。**
### 2.4.1 Internal Components
- **主機板:對於任何微電腦他的心臟都是主機板，他的上面會有CPU、支援處理器、主記憶體、I/O連接、電供連接以及擴充槽，不同的元件彼此藉由總線連接，一組直接蝕刻的線在主機板上。**
- **主機板的挑選應該留意:**
- **主CPU的接腳設計**
- **協處理器接腳設計**
- **外部快取記憶體接口，這些高速的記憶體被用來減少CPU去存取低速的傳統記憶體**
- **主記憶體插槽，用以擴展記憶體晶片**
- **ROM BIOS 接腳，使的電腦可以被升級，只要安裝符合腳位的晶片到主機板中**
- **各式I/O設備**
- **網路適配器**
-
### 2.4.3 Bus Architecture
- **PC AT bus它採用了16位元資料傳輸寬度，24位元的尋址，並支援較高的傳輸速率，甚至可以高到8MHz**
- **ISA bus是IBM在1981年為PC所設計的匯流排架構，並成為個人電腦中最廣泛使用的匯流排之一。ISA最初設計為8位資料傳輸寬度，但後來擴展到16位。**
- **EISA bus是對ISA匯流排的一種擴展，由大型伺服器和工作站製造商於1988年共同開發。它是為了改善ISA的限制，並提供更高的帶寬和更大的擴展性，但是比ISA更加昂貴。**
- **MCA bus是由IBM於1987年為其PS/2電腦設計的一種匯流排架構。它旨在提供更高的效能和更多的功能，但由於IBM專有的設計，它未能廣泛普及，並且她沒有EISA的快速與現有 ISA 擴充卡不相容。**
- **VESA bus由視訊電子標準協會（VESA）於1992年提出，主要針對顯示卡等視訊設備的需求。它是一種專用於圖形顯示設備的匯流排，旨在提供高效能的顯示數據傳輸。**
- **PCI bus是一種由Intel於1992年提出的匯流排架構，旨在提供較高速度的資料傳輸與更靈活的擴展性。PCI匯流排被設計為取代早期的ISA匯流排，並在1990年代迅速成為標準的擴展匯流排，尤其是在桌面和伺服器電腦中。**
### 2.4.4 Video Adapter（視訊適配器）
- **是一種硬體裝置，用來將計算機的數位信號轉換為顯示器可以理解的信號，以便在螢幕上顯示圖像或文字，它通常安裝在電腦主機板上的插槽中，並負責處理所有與視覺輸出相關的工作。**
- **圖像處理：視訊適配器負責生成圖像並將它們輸出到顯示器。它處理來自中央處理單元（CPU）或其他來源的數據，並轉換為可顯示的圖形資訊。這包括處理2D圖像、3D圖形、影片播放等。**
- **顯示解析度與刷新率：視訊適配器控制顯示器的解析度（例如1920x1080）和刷新率（例如60Hz）。它負責確保顯示器正確顯示每秒鐘的畫面數量，從而提供平滑的視覺體驗。**
- **影像加速：現代顯示卡通常配備專用的硬體加速單元來加速圖形渲染過程，這能大幅提升圖形處理效能，特別是在遊戲、視頻播放和圖形設計等需要高效處理的應用場景中。**
- **視頻輸出：視訊適配器將圖像信號轉換為顯示器所能理解的格式，這些信號通過如HDMI、DisplayPort、VGA等端口傳送到顯示器。**
- **記憶體管理：顯示卡通常擁有專門的顯示記憶體（VRAM），用來存儲渲染的圖形資料，包括紋理、像素信息以及緩衝區等。這使得顯示卡能夠更快地處理大量圖形資料，而不會對系統記憶體造成過多負擔。**
- **GPU（Graphics Processing Unit）：GPU是視訊適配器的核心部分，相當於顯示卡的大腦。它專門負責圖形的計算與處理，並將結果轉換成可視圖像。GPU能進行高效的平行運算，特別適用於圖形渲染及大規模數據處理。顯示記憶體（VRAM）：顯示卡擁有專用的顯示記憶體（通常稱為VRAM），它存儲顯示畫面需要的資料，比如圖像、紋理等。VRAM的容量直接影響顯示卡的性能，尤其是在渲染高解析度圖像或3D圖形時。輸出端口：視訊適配器上通常有不同的視頻輸出端口，如VGA、DVI、HDMI、DisplayPort等，用來連接顯示器或其他顯示設備。散熱系統：由於顯示卡在運行過程中會產生大量的熱量，現代顯示卡通常配有散熱風扇或散熱片來幫助降低溫度，防止過熱對硬體造成損害。**
- **集成顯示卡（Integrated Graphics）：集成顯示卡通常嵌入在主機板或CPU中，它依賴於系統的主記憶體（RAM）來處理圖形任務。這類顯示卡的性能較為有限，適合日常工作或輕度圖形需求的使用者。**
- **獨立顯示卡（Discrete Graphics）：獨立顯示卡是一種單獨的硬體設備，通常擁有自己的專用顯示記憶體（VRAM）和強大的GPU。這類顯示卡提供高效的圖形處理能力，適合遊戲、專業圖形設計、3D渲染等高需求的應用。**
- **接口標準：**
**PCI/PCIe（Peripheral Component Interconnect / PCI Express）： 現代顯示卡通常使用PCIe插槽來與主機板連接。PCIe比早期的PCI標準具有更高的帶寬，支持更快的數據傳輸，並成為大多數現代顯示卡的標準接口。**
- **VGA（Video Graphics Array）： 這是較舊的顯示接口標準，雖然它的解析度不如現代標準，但仍在一些舊設備中使用。**
- **HDMI（High Definition Multimedia Interface）：HDMI是當前常見的數位視訊輸出接口，支援高畫質圖像和音頻傳輸。它通常用於電視、顯示器、投影儀等顯示設備。**
- **DisplayPort：DisplayPort是另一種高效能數位顯示接口，支援更高的解析度和刷新率，並且常用於現代的顯示器和高端顯示卡。**
**總結：
視訊適配器是每台電腦中不可或缺的組件之一，負責處理並輸出顯示信號，將視覺數據轉換到顯示器上，無論是集成顯示卡還是獨立顯示卡，它們都在日常使用中扮演著重要角色，從基本的文字顯示到高效的圖形渲染和遊戲體驗。**
### 2.4.5 Memory(RAM)
- **基本的記憶體在電腦的類型是Dynamic, Static, Video RAM，CMOS RAM會儲存系統建立的資訊。電腦最多的RAM是Dynamoc RAM因為他是最便宜的，一些系統使用ECC(error checking and correcting)，能夠偵測多位錯誤並修正單位錯誤的記憶體。**
- **Dynamic RAM:**
- **FPM RAM是一種早期的動態隨機存取記憶體（DRAM）技術，它改善了傳統 DRAM 的性能，主要通過增加頁面模式（Page Mode）的運作方式，讓記憶體存取變得更高效。**
- **EDO RAM 是 FPM RAM 的一個改進版本，它透過延長數據輸出時間來進一步提升記憶體讀取速度。**
- **BEDO RAM 是對 EDO RAM 的進一步升級，它的核心優勢是「burst mode」，這使得它在處理一組連續資料時，比 EDO RAM 擁有更快的資料讀取速度。**
- **SD RAM 是一種同步 DRAM 技術，它使用與系統時鐘同步的信號來操作，因此可以與 CPU 更有效地協同工作，提供更快的記憶體存取速度。**
- **Static RAM（靜態隨機存取記憶體）是一種不需要定期重新刷新的 RAM 類型。與動態隨機存取記憶體（DRAM）不同，SRAM 在資料保持上不需要持續刷新，這使得它的速度比 DRAM 快，但也較為昂貴且能耗較大。**
- **SRAM 是一種記憶體技術，它通過使用六個晶體管來實現每一位元組的資料儲存，因此能夠保持資料直到電源被切斷，無需刷新的機制。**
- **PBSRAM 是一種改進型的 SRAM，具備增強的「流水線突發模式」，它提供更高的記憶體存取速度，特別是在進行大量數據傳輸時。**
- **Video RAM是一種雙端口 RAM，設計用於圖形和視頻應用，允許同時進行讀取和寫入操作，以便在顯示設備上快速顯示圖像。**
- **WRAM 是一種優化的 VRAM 技術，它改善了 VRAM 的資料傳輸速率，並降低了成本。WRAM 主要應用於顯示卡和視頻處理領域。**
- **SGRAM 是一種同步顯示卡專用記憶體，它比 WRAM 和 VRAM 擁有更高的性能，並且使用與系統時鐘同步的信號進行資料傳輸。**
- **COMSRAM 是一種支持資料壓縮的 SRAM 類型，專為存儲和處理大量資料而設計，尤其適用於視頻和圖形應用。**
- **SIMM 是一種早期的記憶體模組，使用單排接腳連接到主板，通常在 1980s 和 1990s 的電腦中使用。**
- **DIMM 是一種較新的記憶體模組，使用雙排接腳連接，能夠提供更高的資料傳輸速度和更大的容量，通常在現代電腦中使用。**
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