1.1 · CPU 架構

目標： 説出 CPU 主要部件、解釋各自功能、推理 CPU 性能。

CPU 做什麼

中央處理器 (CPU) 是電腦的大腦。它的唯一工作是執行指令 —— 每秒數十億條。

主要部件

            ┌──────────────── CPU ──────────────────┐
            │                                       │
 ┌────┐     │   ┌─────────────┐   ┌──────────┐     │
 │ ⏤ │ ──▶ │   │ Control Unit │ ─▶│ Registers│     │
 └────┘     │   └─────┬────────┘   └────▲─────┘     │
            │         │                 │           │
            │   ┌─────▼────────┐  ┌─────┴──────┐    │
            │   │     ALU      │  │ Cache (L1) │    │
            │   └──────────────┘  └────────────┘    │
            └───────────▲──────────────────▲────────┘
                        │   系統總線        │
                        ▼                  ▼
                  ┌──────────┐      ┌──────────┐
                  │  RAM     │      │ I/O 設備  │
                  └──────────┘      └──────────┘

部件	角色
控制單元 (CU)	取指與解碼；向其他部件發控制訊號
算術邏輯單元 (ALU)	執行算術（+ − × ÷）與邏輯（AND OR NOT、比較）
寄存器 Registers	CPU 內部的微小、超快儲存，保存當前指令與其操作數
快取 Cache	CPU 附近的少量快速記憶體，存最近使用的資料
總線 Buses	在部件間傳遞資料、地址、控制訊號的電路

你應認識的關鍵寄存器

寄存器	全稱	保存
PC	Program Counter 程序計數器	下一條指令的地址
IR	Instruction Register 指令寄存器	當前正在解碼的指令
MAR	Memory Address Register 記憶體地址寄存器	CPU 即將讀 / 寫的地址
MDR	Memory Data Register 記憶體資料寄存器	與記憶體間傳輸的資料
ACC	Accumulator 累加器	算術過程中的中間值

在考場

可能給你一張標註的 CPU 圖問哪個寄存器存什麼。至少記 PC、IR、MAR、MDR、ACC。

CPU 速度如何度量

• 時鐘頻率 單位 GHz（10⁹ 週期 / 秒）。3 GHz = 每秒 30 億個時鐘節拍。
• 3 GHz 下一個時鐘週期 ≈ 0.33 ns。
• 現代 CPU 每週期可做多個操作（流水線、超標量）。

要記的時間單位：

單位	時間
1 ms（毫秒）	10⁻³ s
1 μs（微秒）	10⁻⁶ s
1 ns（納秒）	10⁻⁹ s
1 ps（皮秒）	10⁻¹² s

CPU vs GPU

課程指引明確點名兩種處理單元：

單元	強項	用於
CPU	順序、複雜邏輯快	OS、瀏覽器、任何通用任務
GPU	並行簡單數學快	圖形渲染、AI 訓練、科學計算

現代筆電兩者都有：CPU 跑 OS，GPU 畫屏幕。

什麼影響性能

• 時鐘速度 —— 每秒更多節拍。
• 核心數 —— 一顆芯片多個 CPU 可並行做事。
• 快取大小 —— 更多片內快取減少慢 RAM 訪問。
• 字長 —— 總線越寬（32 位、64 位）每週期傳輸越多資料。
• 流水線 / 分支預測 —— 高級技巧，不在課程內。

考試式題目

題（4 分）： 描述控制單元、ALU、寄存器的功能，解釋快取如何改善 CPU 性能。

參考答案：

• 控制單元 (CU)： 解碼指令併發控制訊號指揮其他組件；協調 fetch–decode–execute 迴圈。
• ALU： 對寄存器提供的資料執行算術與邏輯運算。
• 寄存器： CPU 內部極小極快的儲存，存放正在解碼的指令、操作數與中間結果。
• 快取： 位於 CPU 與主存之間；儲存最近使用的資料與指令以便 CPU 納秒級取得，免等慢 RAM。這降低平均記憶體訪問時延、提升整體吞吐。

關鍵要點

• CPU = CU + ALU + 寄存器（+ 現代芯片的快取）。
• 常見寄存器：PC、IR、MAR、MDR、ACC。
• 性能隨時鐘、核心、快取、字長而長。
• CPU 通用；GPU 專攻並行數學。

➡️ 下一節：1.2 Fetch–Decode–Execute