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　　國立台灣大學電機工程學系特聘教授 闕志達  審訂

作者簡介

澀谷道雄

　　1971年，東海大學工學系電子工學科畢業。
　　民間醫療機關研究中心NMR等的研究員。
　　1979年，在外商半導體廠商，從事MOS的企劃、開發、設計等長達12年。
　　之後在國內半導體商業公司、外商IC廠商的技術部門，從事IC的設計開法等。
　　2007年5月，在半導體商業公司（株）三共社，以應用工程師（Field Application Engineer）的身分活動。現為同家公司的特別顧問。

　　〈著作〉
　　《用Excel學訊號分析與數值模擬》
　　《用Excel學傅立葉轉換》
　　《世界第一簡單傅立葉分析》
　　《世界第一簡單半導體》
　　《用電路模擬器LPspice學電子電路》（以上皆為歐姆社出版）
 
審訂者簡介

闕志達

　　現職：
　　國立台灣大學電機系 教授

　　學歷：
　　國立台灣大學電機系學士
　　美國加州理工學院電機系碩士、博士

　　經歷：
　　國立台灣大學電機系副教授
　　國立台灣大學電子研究所所長
　　台灣積體電路設計學會理事長
　　國家實驗研究院晶片系統設計中心主任

　　專業資格：
　　國際電機電子工程師學會 (IEEE) Fellow
 
譯者簡介

衛宮紘

　　清華大學原子科學院學士班。自由譯者，譯作有《上司完全使用手冊》（東販）、《超慢跑入門》（商周）、《男人懂了這些更成功》（潮客風）、《世界第一簡單電力系統》（世茂）……等。

第1章 CPU的功用1
以電腦處理各種資訊11
電腦的核心是CPU（中央運算處理單元） 14
電腦的五大單元16
CPU的核心是ALU（算術邏輯單元） 22
CPU的運算與判斷25
「資訊」是什麼？ 30
數位資訊與類比資訊的差異32

第2章  數位運算35
電腦的世界採用二進數36
「0與1」是相反的狀態37
十進數與二進數38
二進數的數值表示40
定點數與浮點數42
二進數的加法與減法44
邏輯運算是什麼？ 48
IC內含邏輯電路48
三大基本電路（AND、OR、NOT） 51
真值表、文氏圖53
AND電路、OR電路、NOT電路的整理55
其他的基本電路（NAND、NOR、EXOR） 57
NAND、NOR、EXOR電路的整理58
第摩根定律60
運算電路62
加法電路62
半加法器64
全加法器、漣波進位加法器66
漣波進位加法器和進位預看加法器68
記憶電路70
必備的記憶電路70
記憶電路的基礎──正反器74
RS正反器76
D正反器與時脈訊號78
T正反器與計數器81
最近的電路設計是什麼？（CAD、FPGA） 85

第3章  CPU的構造87
記憶體與CPU的相關知識88
記憶體的位址分配89
資料的通道：匯流排92
匯流排寬度與位元數94
R／W控制與I／O控制98
指令由運算元和指令碼構成101
運算所需的暫存器103
CPU處理指令的步驟106
傳統CPU的構造106
CPU處理指令的步驟107
以程式計數器改變指令112
各種記憶單元115
硬體和記憶體的比較116
RAM領域、ROM領域與I／O領域119
中斷是什麼？ 122
中斷也是種功能122
堆疊與堆疊指標126
中斷的優先度128
記憶體的分類132
I／O埠與GPU 133
時脈頻率與準確度134
時脈產生器135
計時器中斷136
重置的動作138
判定CPU效能的指標（FLOPS值） 139

第4章  運算指令141
指令的種類142
指令有很多種類144
算術運算、邏輯運算的指令146
移位是什麼？ 147
可表示負數的正負號位元149
邏輯移位與算術移位151
循環移位（迴轉移位） 154
資料傳輸的指令155
輸入輸出的指令156
分歧指令157
分歧指令、跳躍指令與跨越指令159
條件判斷和狀態旗標160
「分歧指令」和「條件判斷」的組合163
運算元的種類164
運算元的數量164
運算元的各種形式167
即值處理168
位址參照169
定址法170
ALU的運算機制178
探索ALU的內部178
串列傳輸與並列傳輸187
基本暫存器的整理188
基本狀態旗標的整理190
休眠指令192

第5章  程式193
組合語言與高階語言194
組合語言是什麼？ 196
組合語言和高階語言的特徵198
程式和原始碼的差異203
程式的基本知識204
條件判斷和跳躍的功能204
想要讓電腦做什麼事？ 208
程式保存在哪裡？ 212
程式在動作前的執行流向213
第6 章  微控器215
微控器是什麼？ 216
許多產品都有微控器217
微控器的功能218
微控器的構造223
DSP是什麼？ 226
DSP和乘積累加運算228
產業機器的應用229
尾聲231
〈最近的CPU趨勢〉242
索引245
作者介紹249

記憶體的分類
 
ROM是「Read Only Memory」的簡稱，即使沒有供應記憶體電源，也能繼續保存資料，但只能讀取該筆資料。
 
另一方面，RAM是「Read Access Memory」的簡稱，不受限於位址的順序，能夠隨機指定位址，以讀取、寫入資料。有些人會以為「ROM和RAM」是相對的，但事實並非如此。
 
如上圖所示，與RAM相對的是SAM（Sequential AccessMemory），這是過去用於磁帶、磁鼓（magnetic drum），按照記憶體位址順序來讀寫的記憶體。與ROM相對的則是RWM（Read Write Memory）。
 
即使沒有供應電源，也能繼續保存寫入的資料，等到再次供應電源時，即可讀寫原資料的記憶體，稱為「非揮發性記憶體（Nonvolatile Memory）」。與此相對，停止供應電源（切斷電源），記憶資料便會消失的記憶體，稱為「揮發性記憶體（Volatile Memory）」。
 
最近，我們則稱揮發性記憶體為「RAM」；非揮發性記憶體為「ROM」。
 
◆ I／O埠與
 
若I／O（輸入、輸出）裝置沒有和CPU的暫存器、ALU連接，外部的輸入即無法傳遞到CPU。
 
外部的輸入不單指以鍵盤輸入的文字，還包括電力訊號。此外，若不將運算結果的電力訊號，以「閃爍LED」等方式輸出，電腦就無法和人類互動。
 
因此，與連接外部記憶體的原理相同，內部匯流排會藉由I／O埠（輸入、輸出埠），連接外部裝置。
 
我們平常使用的電腦輸出單元——電腦螢幕，其實大多沒有和運算中的CPU直接相連。
 
螢幕畫面是利用GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理專用的運算IC），做出圖像並顯示出來。而內含GPU的大型系統專用CPU，即設有GPU專用的I／O埠。

除了電腦的大型系統，配備彩色LCD（液晶螢幕）顯示器的機器，CPU仍會經由I／O埠，將資料傳給LCD控制器，接著，LCD控制器與驅動器再輸出畫面。
 
◆ 時脈頻率與準確度
 
操作CPU當然需要電源。此外，「時脈（時脈頻率；Clock Frequency）」這種在一定週期內，重複H位準和L位準的訊號也是必要的。
 
順帶一提，「頻率」是指波（訊號）每秒重複的次數。
 
時脈訊號扮演著「CPU心臟脈搏」的角色，如要驅動CPU內部的電路（例如，將資料鎖存到ALU、推進程式計數器的區塊※），時脈訊號是不可或缺的。
 
※區塊是指為了實現某功能所集結的資料塊。
 
時脈的單位是Hz（赫茲），表示「每秒能夠重複幾次時脈動作」，例如，40MHz表示每秒重複四千萬次時脈動作。

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