第一章 電腦（計算機）科技簡介

1. 第一章 電腦（計算機）科技簡介 Lecturer 許明宗

2. 前言 • 近年來由於資訊軟硬體產業的快速進步，讓我們的生活越來越便利，因此形成了一個資訊的時代。 • 本章將對這些資訊應用所需的軟、硬體設備的發展歷史、用途以及未來發展趨勢加介紹。

3. 大綱 • 1 電腦特性 • 2 電腦技術的演進與未來發展方向 • 3 電腦的種類與組成 • 4 數字系統：資料表示法 • 5 文字資料表示法 • 6 中央處理器（CPU） • 7 記憶體（Memory） • 8 電腦結構的最新設計

4. 1 電腦特性 • 優點： • 計算速度快 • 儲存能力強 • 可靠度高 • 具備通訊能力 • 問題 • 健康問題 • 容錯能力 • 著作權爭議 • 網路言論 • 跨國犯罪 • 環保議題

5. 2 電腦技術的演進與未來發展方向 • 2.1 電腦的誕生 • 2.2 電腦的演進歷史 • 2.3 未來的電腦（第五代電腦） • 2.4 電腦的未來趨勢

6. 2.1 電腦的誕生

7. 2.1 電腦的誕生 (cont’d)

8. 2.1 電腦的誕生 (cont’d) • 計算工具 • 『算盤』，1300 • 加法器：法國數學家巴斯卡(Blaise Pascal) ，1642 • 乘法器：德國人萊伯尼茲(Gottfried Leibnitz) ，1672 • 差分器及分析器：英國數學家巴貝基(Charles Babbage) ，1832 • 表格運算機器：美國人口調查局的赫羅瑞斯(Herman Hollerith) ，1890 • 使用繼電器的計算工具 • 電動計算器：貝爾電話實驗室的史提必茲(George Stibitz) ，1937， • 繼電式電腦：史提必茲，1940年 • Mark I：哈佛大學的愛肯教授(Professor Howard Aiken) 、IBM，1944

9. 2.1 電腦的誕生 (cont’d) • 使用真空管的計算工具 • 1942年，愛特納索夫教授(Professor John V. Atanasoff)及其助理貝瑞(Clifford Berry)完成由45個真空管構成記憶體的數位計算機，為世界上第一部電子數位計算機，命名為 Atanasoff-Berry Computer, ABC。 • 1946年，毛琦雷教授(Professor J. W. Mauchly) 與他的學生愛克特(J. P. Eckert)以ABC的基礎，設計電子數值積分及計算器（Electronic Numerical Integrator And Calculator, ENIAC ）。 • 1952年，賓州大學完成了電子離散變數計算機（Electronic Discrete Variable Computer, EDVAC）。 • 1951年，雷明頓蘭得(Remington Rand)公司完成了世界上第一部商業用途電腦，命名為：Universal Automatic Computer, UNIVAC。 • 使用真空管所設計的機器淘汰了使用繼電器所設計的機器。『真空管』確立了電腦發展歷史的確切地位，被稱為第一代電腦。

10. 2.2 電腦的演進歷史

11. 2.2 電腦的演進歷史 (cont’d) • 【IC技術的演進】 SSI(Small-Scale Integration)：一顆IC含10個電晶體 MSI(Medium-Scale Integration)：一顆IC含102個電晶體 LSI(Large-Scale Integration)：一顆IC含104個電晶體 VLSI(Very Large-Scale Integration)：一顆IC含106個電晶體 ULSI(Ultra Large-Scale Integration)：一顆IC含108個電晶體 GSI(Giga-Scale Integration)：一顆IC含109個電晶體

12. 2.2 電腦的演進歷史 (cont’d) • Moore’s Law • “Stuff” (transistors, etc) doubling every 1-2 years

13. 2.3 未來的電腦（第五代電腦） • 歷史上曾經出現第五代電腦的說法 • 1980年，日本曾經提出發展第五代電腦的十年計劃，目標是要設計一個和人類一樣，具有智慧，能夠和人類以自然語言溝通，並具有專家性質，能夠替人們解決問題的電腦或機器人。 • 人工智慧包含的技術非常廣闊，某些方面確實已經獲得不錯的成果，但有許多方面則有待努力。 • 使用生物晶片來取代目前的半導體晶片，以便提供更高速度的運算能力。 • 奈米科技除了可以讓電腦變得更小用，因為奈米所造成的物理性質的改變，也是目前研究的重心。

14. 2.4 電腦的未來趨勢 • 更快的電腦：製程技術、電腦組織與結構的設計、平行化處理等等。 • 更小的電腦：製程技術、電腦組織與結構的設計等等。 • 容量更大的電腦：新技術的研發以及製程技術的改良。 • 更聰明的電腦：人工智慧(AI) 、資料探勘。 • 更安全的電腦：病毒(virus)、病蟲(worm) 、駭客(hacker) 。 • 更大的頻寬：更大的頻寬、更新的網路結構以及更佳的資料壓縮技術。 • 更方便、舒適的使用環境：人機界面。

15. 3 電腦的種類與組成 • 3.1 電腦的分類 • 3.2 個人電腦 • 3.3 電腦的組成 • 3.3.1 硬體 • 3.3.2 軟體

16. 3.1 電腦的分類 • 一、依用途分類 • 一般用途電腦 (General Purpose Computer) • 特殊用途電腦(Special Purpose Computer) • 二、依處理資料的類型分類 • 類比式電腦(Analog Computer) • 數位式電腦(Digital Computer) • 混合式電腦(Hybrid Computer) • 三、綜合分類 • 與記憶容量、處理速度、軟體支援度、體積、價格高低等有關，可以區分為超級電腦、大型電腦、中型電腦、小型（迷你）電腦、微型個人電腦等。

17. 3.1 電腦的分類 (cont’d) 大型電腦IBM 3090 超級電腦Cray T90 個人電腦IBM PC

18. 3.2 個人電腦 • 針對個人或家庭設計的電腦通常屬於個人電腦(Personal Computer, PC) • IBM在1981年推出IBM PC，各家廠商競相仿照其架構製造相容的電腦PC，使得PC一詞也成為IBM相容PC的簡稱。 • IBM相容PC • 16位元電腦 • IBM PC（ Intel的8088微處理器）、PC-XT、PC-AT（ Intel的80286微處理器） • 32位元個人電腦 • Intel的80386微處理器、Intel 80486微處理器、Pentium、Pentium MMX、AMD K5、Cyrix 6x86、、、 • 64位元個人電腦 • AMD Athlon64

20. 3.2 個人電腦 (cont’d) • 由於IBM將公司主力放在大型電腦的研發，將CPU交給英特爾，將作業系統委託微軟開發，因此造就了下列三項大事。 • IBM相容PC大量出現，組裝電腦大行其道 • 微軟與英特爾的崛起 • CPU代名詞

21. 3.2 個人電腦 (cont’d) • 麥金塔電腦(Macintosh) • Apple公司在1977年推出Apple I、II，是世界上第二部PC（第一部是Ed Robert在1975年製造的Altair 8800）。 • 最新的Apple PC則被命名為麥金塔電腦(Macintosh) • 操作介面非常人性化，很早就使用滑鼠及視窗化介面，對於專業美工排版而言，效能更勝於IBM所推出的PC。 • 設計架構和IBM PC完全不同，採用的是Motorola等公司出產的PowerPC處理器，所以又稱為Power PC。 • 作業系統也是由Apple公司獨立開發 (Mac-OS)。 • 軟體的適用性牽扯到作業系統，因此麥金塔電腦的軟體與IBM PC的軟體並不相同。 • 由於麥金塔電腦如此封閉及特殊，因此可以使用Apple、Mac、PowerPC等代名詞來加以稱呼。

22. 3.2 個人電腦 (cont’d) iMac電腦非常美觀 最新的Power Mac G4

23. 3.2 個人電腦 (cont’d) • 筆記型電腦(NoteBook) • PC一詞只被侷限於形容IBM相容PC的桌上型（desktop）。 • 筆記型電腦(NoteBook)的功能和PC完全一樣，不過它比一般個人電腦更輕，把滑鼠、鍵盤也包含在內，並加上電池裝置，成為可以隨身攜帶的電腦。Intel也針對了筆記型電腦設計了一些專用的CPU，以減少其耗電量。 Compaq的筆記型電腦 Apple的超薄PowerBook系列

24. 3.2 個人電腦 (cont’d) • DeskNote • DeskNote顧名思義就是介於Desktop（桌上型）與NoteBook（筆記型）電腦之間的一種電腦機型。 • 個人數位助理(PDA) • 個人數位助理(Personal Digital Assistants；簡稱PDA)是一種非常小型的電腦，它可以放入口袋中隨身攜帶，並且使用手寫輸入、觸控螢幕作為輸入設備。 精英電腦廠商出產的DeskNote PDA

25. 3.2 個人電腦 (cont’d) • 平板電腦(Tablet PC) • Tablet PC具有可摺疊的優點，結合了PDA與NoteBook的特性，一方面它可以直接使用手寫輸入、觸控螢幕等來輸入資料，體積及性能又和NoteBook差異不大。 • 網路電腦(Network Computer) • 網路電腦是一種極為特殊的電腦設備，它完全是因應Internet流行所出現的一種電腦。網路電腦有CPU與記憶體，它可以連結到電視中，讓使用者透過電視及網路連上Internet，進行網路瀏覽與交易。另外，網路電腦也可以搭配鍵盤與螢幕來上網。 Tablet PC 網路電腦

26. 3.3 電腦的組成 • 電腦系統可以分為使用者(user)、硬體(hardware)與軟體(software)等三項 • 『使用者』就是使用或管理電腦的人 • 『硬體』就是組成電腦的電子元件以及各項設備 • 『軟體』則是一種抽象化的名詞，它必須以某種排列方式附著於某個硬體之上，例如：附著於記憶體、硬碟、光碟片中，而『軟體』的功能則是告知電腦該去做什麼或提供電腦所需要資料的來源。

27. 3.3.1 硬體 (Hardware) • 『硬體』就是一切可以看到的電腦設備（連電腦外殼也拆掉）。 • 實際上，若從功能面加以區分，一般會將電腦硬體分為算數邏輯單元、控制單元、記憶體單元、輸入單元、輸出單元等5大單元。

28. 3.3.1 硬體 (cont’d) 電腦硬體的5大單元

29. 3.3.1 硬體 (cont’d) • 算數邏輯單元(Arithmetic and Logic Unit, ALU) ，執行程式中各類運算的實體單位。 • 算數運算：加、減、乘、除等等的數值運算。 • 邏輯運算：AND、OR、NOT等位元／位元組的邏輯運算。 • 控制單元(Control Unit, CU)控制流程及協調輸入、輸出、記憶、算數邏輯等4大單元的運作 • 當指令進入CPU之後，控制元件就會先進行指令解碼(Decode)，並按照指令種類執行對應的微程式，發出不同的訊號完成該指令所需要完成的各項功能，最後執行邏輯電路以便取得下一個指令。 算數邏輯單元與控制單元合稱中央處理單元(就是常聽到的CPU)，中央處理單元和主記憶體則為電腦的核心部分。

30. 3.3.1 硬體 (cont’d) • 記憶體單元(Memory unit and Storage Unit) • 主記憶體（又稱為內部記憶體），特性為存取速度快、成本高。 • 隨機存取記憶體(Random Access Memory, RAM) ：成本較低，但是無法於電力消失時保存資料，為揮發性記憶體。 • 唯讀記憶體(Read Only Memory；簡稱ROM)。ROM成本較高，但卻可以在無電力的狀況下保存資料，傳統的ROM只能寫入資料一次。 • 輔助記憶體（又稱為外部記憶體），以磁性物體或光學材料組成，例如：硬碟機、軟碟片、光碟片。 • 輔助記憶體的存取速度相對於主記憶體慢了數十倍以上，但製作成本則比主要記憶體低了數十倍以上。

31. 3.3.1 硬體 (cont’d) • 輸入單元(Input unit) • 具有輸入功能的週邊設備，例如鍵盤、滑鼠、搖桿等等。藉由這些輸入裝置與電腦取得溝通的管道。 輸入單元

32. 3.3.1 硬體 (cont’d) • 輸出單元(Output unit) • 具有輸出功能的設備皆屬輸出單元的元件，主要功能是將程式執行的結果（如：文字、聲音、影像等）輸出或顯示。常見的輸出裝置例如螢幕、印表機等等。 • 某些設備也可能同時具有輸入與輸出的功能，例如：觸控式螢幕、會震動的搖桿等等。 輸出單元

33. 3.3.1 硬體 (cont’d)

34. 3.3.2 軟體 (Software) • 『軟體』是一種抽象化的名詞，以某種排列方式附著於硬體之上 • 軟體又分為資料(data)與程式(program)兩大類 • 程式(program)是由一組有順序的指令(instruction)所構成，而指令則是指揮電腦作業方式的命令。 • 程式又可以分為系統程式與應用程式兩大類。 • 系統程式一般為較接近硬體底層的低階程式，例如：作業系統、編譯器、組譯器、連結器等。 • 應用程式則是架構在系統程式之上，依據某種特殊需求而開發出來的軟體，例如：Office、帳務系統、電腦遊戲等。

35. 3.3.2 軟體 (cont’d) 系統程式與應用程式關係圖 系統程式與應用程式階層圖

36. 3.3.2 軟體 (cont’d)

37. 4 數字系統：電腦內部的資料表示法 • 電腦核心元件（例如中央處理器、主記憶體等等）皆由半導體材質製作而成，電晶體（以半導體製作而成）是電腦核心元件的主要構成元素。 • 電晶體在電路中扮演著『開』與『關』的開關角色，因此，最適合以2進位來加以表示。 • 想要更深一步了解電腦內部的運作模式，首先，我們必須先學習另外一套有別於10進位的數字系統，也就是2進位與16進位數字系統。

38. 4.1 二進制及電腦的儲存單位 • 對於人來說，最常使用的是十進制、十二進制（例如一打）或六十進制（例如：時間）。 • 實際上並非所有的現實狀況都會產生十種變化，某些現實狀況，採用二分法更能夠簡化問題，如圖中，我們可以用11001來表示五顆燈泡與五根水管的開關狀態。

39. 4.1 二進制及電腦的儲存單位 (cont’d) • 電子元件通常只能夠顯示開（ON）或關（OFF）兩種狀態，因此電腦使用的是二進位數（Binary Digit）來表示資料。 • 二進位的每一個位數稱之為位元（Bit）。用來表示0或1的狀態。 • 位元是記憶體的最小儲存單位，只能夠產生2種變化（0與1），為了表達更多狀態的變化，必須以多個位元來組合。 • 8個位元（Bits）組合成1個位元組（Byte），可以產生28=256種變化。 • 一個位元組的變化足以用來表示某些英文字母、數字或符號。 • 另一種計算存取資料的單位稱為字組（Word），一個Word究竟包含多少個Bytes，必須視硬體結構而定。 • 一個Word可能等於2個bytes（16位元電腦）、4個bytes（32位元電腦）、8個bytes（64位元電腦）。

40. 4.1 二進制及電腦的儲存單位 (cont’d) • Byte為記憶體儲存單位中最常被使用的表示單位，此外，還有千位元組（Kilo Bytes，簡稱KB）、百萬位元組(Mega Bytes；簡稱MB)、十億位元組(Giga Bytes；簡稱GB)、兆位元組（Tera Bytes；簡稱TB）等來形容記憶體容量，其實際容量如下。 1 Byte ＝ 8 Bits 1 KB ＝ 210 Bytes ＝ 1024 Bytes (近1千) 1 MB ＝ 220 Bytes ＝ 1,048,576 Bytes (近100萬) 1 GB ＝ 230 Bytes ＝ 1,073,741,824 Bytes (近10億) 1 TB ＝ 240 Bytes ＝ 1,099,511,627,776 Bytes (近1兆)

41. 4.2 數字系統 • 十進制每一位數共有0～9等10種變化，並且逢十進位。而六十進制一般使用在時間的表達上，也就是逢六十進位，例如：1小時=60分鐘、1分鐘=60秒。 • 由於電子訊號的緣故，電腦內部的數字系統只能採用2進制（0與1的變化），但過長的01字串常常使得程式設計師閱讀不易，因而採用8進制系統（octal system）或16進制系統（hexadecimal system）來加以速記。 • 我們可以推導出一個適合用任意數字系統的公式，然後再將此公式套用於不同的數字系統。 • 在十進位系統中，我們將可以一個數值分解為如下等式： • 359.68 = 3*102+5*101+9*100+6*10-1+8*10-2

42. 4.2 數字系統 (cont’d) • 觀察上述等式，我們可以發現，10為十進制的基底，因此，我們可以將基底由十進制擴充到K進制數字系統，一個K進制的正數N可以使用下列多項式來表達： • 多項式中的每一位數（Di）我們稱之為位數（Digit），最左邊數字Dp-1稱為最高有效位數（Most Significant Digit；簡稱MSD）、最右邊數字D-q稱為最低有效位數（Least Significant Digit；簡稱LSD），並將基底K放在數值N的右下角標註，

43. 4.2 數字系統 (cont’d) • 十進制（K=10）數字系統具有下列特性： • 每一位數能接受的數字符號為：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。 • 每一位數所代表的量，根據其位置而有不同的指數加權（底數為10） • 整數部份由小數點的左邊以10的正冪次方向左逐一遞增（次方由0開始） • 小數部份由小數點的右邊以10的負冪次方向右逐一遞減（次方由-1開始） • 10進制在做運算時，每一位數逢10向左進位。 【範例】：307.25 = (307.25)10之位數及加權計算

44. 4.2.1 二進制數字系統 • 只有0、1變化的數字系統稱為2進制數字系統。為了與10進制的數值產生區別，在數值右下角加上一個下標2，以示區隔。 • 2進制數字系統特性： • 每一位數（Digit）只接受0、1兩種變化，因此二進制的位數又稱為位元。 • 最高有效位元稱為MSB（Most Significant Bit）、最低有效位元稱為LSB（Least Significant Bit）。 • 每一個Bit所代表的量，根據其位置而有不同的指數加權。 • 整數部份由小數點的左邊以2的正冪次方向左逐一遞增（次方由0開始）。 • 小數部份由小數點的右邊以2的負冪次方向右逐一遞減（次方由-1開始）。 • 進制在做運算時，每一Bit逢2向左進位。 （所以12+12不是等於2，12+12是等於102）

45. 4.2.1 二進制數字系統 (cont’d) • 【範例】：1001.1012之位數及加權計算如下：

46. 4.2.2 十六進制數字系統 • 使用二進制來表示數值，常常會出現一連串的0、1串列，不容易識別與記憶，為了提高數值的可讀性，通常採用8進制或16進制來表示。 • 16進制數字系統具有下列特點： • 每一位數可能接受的數字符號為0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F • 每一位數所代表的量，根據其位置而有不同的指數加權。 • 整數部份由小數點的左邊以16的正冪次方向左逐一遞增（次方由0開始）。 • 小數部份由小數點的右邊以16的負冪次方向右逐一遞減（次方由-1開始）。 • 16進制在做運算時，每一位數逢16向左進位。 • 數值下方加上16代表16進制數字，或者在數值結尾加上h或H來表示使用大小寫的16進制數字，例如：1AH、5dh。

47. 4.2.2 十六進制數字系統 (cont’d) • 【範例】：6A416之位數及加權計算如下：

48. 4.2.3 八進制數字系統 • 8進制數字系統具有下列特點： • 每一位數可能接受的數字符號為0，1，2，3，4，5，6，7。 • 每一位數所代表的量，根據其位置而有不同的指數加權（底數為8）。 • 整數部份由小數點的左邊以8的正冪次方向左逐一遞增。 • 小數部份由小數點的右邊以8的負冪次方向右逐一遞減（次方由-1開始）。 • 8進制在做運算時，每一位數逢八向左進位。 • 通常會將數值下方加上8代表8進制數字，也有少許書籍會在8進制數字後面加上下標o或O來表示使用8進制數字。

49. 4.2.3 八進制數字系統 (cont’d) • 【範例】：5728之位數及加權計算如下：

50. 5 文字資料表示法 • 前面章節介紹了數值資料在電腦的存放方式，而文字資料又是如何被放到記憶體的呢？由於每一個記憶體單元只能接受0、1等2進制的表示法，因此文字資料必須先經由編碼，使得不同的字元對應到唯一的位元圖樣（bit pattern），然後才能存入記憶體中。目前最普遍的編碼為ASCII，繁體中文則為Big5碼。此外，為了統一各國文字的編碼方式，另外也發展了Unicode編碼方式。