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DSE ICT｜電腦系統硬件與周邊裝置 備課指引（導師用）｜CPU 效能、記憶層級與 I/O 瓶頸
學生識講「呢部機快啲」，但講不出快在哪一個零件。這一堂用三條算式，把「快」拆成時脈、快取命中率同硬碟轉速。
本堂目標 學生能夠：① 用時脈與 CPI 算出每秒指令數，並解釋為何時脈高不等於一定快；② 用命中率與失誤懲罰算出平均記憶存取時間（AMAT = 6 個週期），講出快取的作用；③ 由搜尋時間、轉速與傳輸率算出硬碟 4 MB 檔案的存取時間約 46.5 毫秒，並解釋 SSD 為何快約 465 倍。
01 先備知識（開課前 3 分鐘快檢）
以下任何一項未過關，本堂就會卡住，先補該項：
| 技能 | 快檢題 | 過關標準 |
|---|---|---|
| 時脈 | 3.2 GHz 是每秒幾多個週期 | 32 億個 |
| 單位換算 | 8 GB 等於幾多 MB | 8,192 MB，即 2^33 位元組 |
| 平均數 | 九成半命中、半成失誤，平均幾多 | 按比例加權，不是取中間 |
02 課堂流程（60 分鐘）
| 時間 | 環節 | 導師做什麼 | 學生做什麼 |
|---|---|---|---|
| 0–10 分 | 一部機的五個部件 | CPU、記憶體、儲存、輸入、輸出 | 講出資料流向 |
| 10–22 分 | CPU 效能 | 時脈、CPI、每秒指令數 | 算出 1.28 億萬條 |
| 22–34 分 | 記憶層級 | 暫存器、快取、RAM、硬碟 | 算出 AMAT 6 週期 |
| 34–44 分 | I/O 瓶頸 | 搜尋、旋轉延遲、傳輸率 | 算出 46.5 毫秒 |
| 44–54 分 | 周邊裝置選型 | 掃描器、印表機、觸控與解析度 | 按用途給理由 |
| 54–60 分 | 離場檢查 | 三題即場批 | 三題全對 |
03 講解腳本（照著說就可以）
第一幕：時脈是心跳，CPI 是每一步要幾多跳
CPU 時脈 3.2 GHz，即每秒 32 億個週期。若平均每條指令要 2.5 個週期（CPI），每秒可執行 3.2 × 10⁹ ÷ 2.5 = 1.28 × 10⁹ 條指令，約 1.28 GOPS。
所以「時脈高就快」只在一半情況下成立：另一部機時脈 2.8 GHz 但 CPI 只 1.4，每秒 2.0 × 10⁹ 條，反而更快。要看的是 時脈 ÷ CPI，再加上核心數。
核心數不是直接乘：兩個核心要程式可以並行才有用，否則一個核心做、另一個等。
周邊裝置接在這裡：鍵盤、滑鼠屬輸入，螢幕、印表機屬輸出，觸控螢幕與網路卡同時做兩邊。接得慢，CPU 再快都要等。
所以「時脈高就快」只在一半情況下成立：另一部機時脈 2.8 GHz 但 CPI 只 1.4，每秒 2.0 × 10⁹ 條，反而更快。要看的是 時脈 ÷ CPI，再加上核心數。
核心數不是直接乘：兩個核心要程式可以並行才有用，否則一個核心做、另一個等。
周邊裝置接在這裡：鍵盤、滑鼠屬輸入，螢幕、印表機屬輸出，觸控螢幕與網路卡同時做兩邊。接得慢，CPU 再快都要等。
要學生講：3.2 GHz 的機為何可能比 2.8 GHz 的機慢（CPI 不同，核心能否並行）。
第二幕：記憶層級：用命中率換時間
層級由快到慢：暫存器（一個週期內）、L1/L2 快取、RAM、SSD、硬碟。
快取命中要 1 個週期，失誤要付 100 個週期的懲罰。命中率 95%，平均存取時間 AMAT = 1 + 0.05 × 100 = 6 個週期。
若命中率跌到 80%，AMAT = 1 + 0.2 × 100 = 21 個週期，慢三倍半。所以程式資料擺放方式（區域性）直接影響速度。
容量換算要熟：8 GB = 8 × 1,024 MB = 8,192 MB；頁面 4 KB 的話，8 GB 有 8 × 1024³ ÷ 4096 = 2,097,152 頁。
RAM 是揮發性，斷電即失；SSD 與硬碟非揮發性。這一條幾乎每年都考。
快取命中要 1 個週期，失誤要付 100 個週期的懲罰。命中率 95%，平均存取時間 AMAT = 1 + 0.05 × 100 = 6 個週期。
若命中率跌到 80%，AMAT = 1 + 0.2 × 100 = 21 個週期，慢三倍半。所以程式資料擺放方式（區域性）直接影響速度。
容量換算要熟：8 GB = 8 × 1,024 MB = 8,192 MB；頁面 4 KB 的話，8 GB 有 8 × 1024³ ÷ 4096 = 2,097,152 頁。
RAM 是揮發性，斷電即失；SSD 與硬碟非揮發性。這一條幾乎每年都考。
要學生講：命中率由 95% 跌到 80%，為何平均時間由 6 升到 21 週期（失誤懲罰被放大）。
第三幕：硬碟三個延遲加起來才是真相
存取一個 4 MB 檔案：搜尋時間 9 毫秒；7,200 rpm 的轉速，每轉 60 ÷ 7,200 = 8.33 毫秒，平均旋轉延遲是一半 = 4.17 毫秒；傳輸率 120 MB/s，4 MB 要 33.33 毫秒。合計 ≈ 46.5 毫秒。
同一檔案在 SSD 約 0.1 毫秒，快約 465 倍，分別就在「冇機械件、唔用等轉」這兩個延遲。
所以換 SSD 對開機與載入特別有效，對純 CPU 運算影響很小——這是答題最常考的分辨。
選周邊要按用途講理由：文件掃描要光學解析度與饋紙器；相片列印要墨滴大小與色域；觸控要取樣率而不是只看尺寸。
同一檔案在 SSD 約 0.1 毫秒，快約 465 倍，分別就在「冇機械件、唔用等轉」這兩個延遲。
所以換 SSD 對開機與載入特別有效，對純 CPU 運算影響很小——這是答題最常考的分辨。
選周邊要按用途講理由：文件掃描要光學解析度與饋紙器；相片列印要墨滴大小與色域；觸控要取樣率而不是只看尺寸。
要學生講：換 SSD 為何令開機快但轉片慢（I/O 瓶頸與 CPU 瓶頸的分別）。
04 必教題型與步驟
| 題型 | 例子 | 步驟 | 答案 |
|---|---|---|---|
| 計算 | 每秒指令數 | 時脈 ÷ CPI | 1.28 × 10⁹ |
| 計算 | 平均記憶存取時間 | 命中時間 + 失誤率 × 懲罰 | 6 個週期 |
| 計算 | 硬碟存取時間 | 搜尋 + 旋轉延遲 + 傳輸 | 46.5 毫秒 |
| 解釋 | 周邊裝置選型 | 按用途講解析度、速度、成本 | 每項要有理由 |
合理性檢查（一定要教）：GHz 是 10⁹，不是 10⁶；單位錯就整條題差一千倍。
AMAT 的失誤率是 1 − 命中率，不是命中率。
旋轉延遲取平均是一轉時間的一半，不是全轉。
1 GB 用 1,024 MB（二進位），不是 1,000 MB，除非題目明講十進位。
核心數與時脈不能直接相乘當效能，要看程式能否並行。
AMAT 的失誤率是 1 − 命中率，不是命中率。
旋轉延遲取平均是一轉時間的一半，不是全轉。
1 GB 用 1,024 MB（二進位），不是 1,000 MB，除非題目明講十進位。
核心數與時脈不能直接相乘當效能，要看程式能否並行。
05 獨立練習三題
| 題目 | 答案 | 想觀察什麼 |
|---|---|---|
| 3.2 GHz、CPI 2.5 的每秒指令數 | 1.28 × 10⁹ | 3.2e9 ÷ 2.5 |
| 命中率 95%、懲罰 100 週期的 AMAT | 6 個週期 | 1 + 0.05 × 100 |
| 4 MB 檔案在 120 MB/s 的傳輸時間 | 33.33 毫秒 | 4 ÷ 120 × 1000 |
06 學生常見錯誤與糾正句
| 錯誤 | 學生通常這樣寫 | 導師這樣說 |
|---|---|---|
| 用命中率乘懲罰 | 答「1 + 0.95 × 100」 | 「失誤率先係乘數：0.05 × 100，命中的部分只係 1。」 |
| 忘記旋轉延遲取一半 | 答「加 8.33 毫秒」 | 「平均要等半轉，即 4.17 毫秒。」 |
| 把 1 GB 當 1,000 MB | 答「8 GB = 8,000 MB」 | 「二進位係 1,024，8 GB = 8,192 MB。」 |
| 以為換 SSD 一定樣樣快 | 答「換咗 SSD 連轉片都快一倍」 | 「I/O 快，CPU 運算唔會因此變快。」 |
07 家課建議（直接指到練習卷題號）
- 中學 ICT 章節索引 全科章節與練習
- 中學備課指引總覽 其他科目對照
08 離場檢查（最後 5 分鐘）
| 題目 | 答案 | 判定 |
|---|---|---|
| 3.2 GHz、CPI 2.5 的每秒指令數 | 1.28 × 10⁹ | 三題全對＝可進 I/O |
| 命中率 95% 的 AMAT | 6 個週期 | 錯一題＝下堂前重講失誤率 |
| 旋轉延遲的平均值 | 4.17 毫秒 | 錯兩題以上＝回到第三幕 |
09 導師常問
要背具體型號規格嗎？
不必。要能用題目給的時脈、CPI、轉速算，並解釋瓶頸在哪。
快取愈大是否一定好？
命中率會升，但成本、耗電與面積上升，而且超過工作集大小後回報遞減。
SSD 有缺點嗎？
有：每 GB 成本較高、寫入次數有限、資料救援較難，答題講兩項就夠。
本頁為 TutorZone 導師備課指引，內容由 TutorZone 團隊編寫；題目與流程為原創，並非任何學校或出版社的教材。
