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電腦原理與應用 授課老師: 張鵬佐. 第 1 課. 1-1 電腦的類型 1-2 電腦的基本單位 1-3 電腦的基本組成 1-4 電腦的主機 1-5 中央處理器 (CPU) 1-6 記憶體 1-7 儲存裝置 1-8 網路與資料共用. 電腦基本原理. 1-1 電腦的類型. 電腦 (computer) 是由許多電子電路所組成,可以接受數位輸入,依照儲存於內部的一連串指令進行運算,然後產生數位輸出,具有迅速、精準、可靠、一致、儲存能力、通訊能力等特質。
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電腦原理與應用 授課老師: 張鵬佐
第1課 1-1 電腦的類型 1-2 電腦的基本單位 1-3 電腦的基本組成 1-4 電腦的主機 1-5 中央處理器(CPU) 1-6 記憶體 1-7 儲存裝置 1-8 網路與資料共用 電腦基本原理
1-1 電腦的類型 電腦(computer)是由許多電子電路所組成,可以接受數位輸入,依照儲存於內部的一連串指令進行運算,然後產生數位輸出,具有迅速、精準、可靠、一致、儲存能力、通訊能力等特質。 雖然電腦的運作原理相似,但我們經常可以在不同場合或不同應用中看到不同類型的電腦,舉凡金融業所使用的大型電腦,到辦公室、校園或家庭常見的個人電腦,乃至於家電內含的嵌入式電腦皆是。
1-1-1 超級電腦 超級電腦(supercomputer)是功能最強、執行速度最快的電腦,能夠在一秒內執行數兆個運算,造價高達數千萬美元到數億美元不等,通常只有國家級的單位或大型機構才可能使用超級電腦來進行大量儲存與高速運算。
1-1-2 大型電腦 大型電腦(mainframe)的功能及執行速度僅次於超級電腦,能夠在一秒內執行數百萬個運算,而且可以同時服務多位使用者,提供集中的資料儲存及處理功能,截至目前,大型電腦仍被用來執行規模龐大的工作。 使用者通常看不到大型電腦,而是透過終端機(螢幕與鍵盤的組合)存取位於其它房間甚至其它城市或國家的大型電腦。
1-1-3 迷你電腦 迷你電腦(minicomputer)和大型電腦一樣提供集中的資料儲存及處理功能,只是儲存能力及執行速度沒有大型電腦強,能夠同時服務的使用者亦較少。 DEC公司於1963年所推出的PDP-8被視為第一部廣泛應用至商業及科學用途的迷你電腦,甫上市便受到企業的歡迎,但在微電腦的功能不斷提昇且價格不斷滑落的今日,迷你電腦已經逐漸退出市場。
1-1-4 微電腦 微電腦(microcomputer)指的是採用微處理器(microprocessor)的電腦,世界上第一顆微處理器於1971 年問世,雖然是一片小小的矽晶片,裡面卻包含了數百萬個電路,電腦最關鍵的功能都是由它來執行,自此之後,電腦就變得體積更小、速度更快、成本更低、儲存容量更大、可靠性更高,同時微處理器的應用並不侷限於電腦,
工作站 工作站(workstation)是一種運算能力強大的高階桌上型電腦,適合用來從事財務分析、電腦動畫、工程設計、軟體開發等複雜的工作,過去亦經常在網路環境中被用來做為伺服器(server),以提供資源或服務給網路上的其它電腦。
個人電腦 廣義地說,世界上第一部個人電腦(PC,personal computer)是Ed Roberts在1975年所製造的Altair 8800,而Steve Jobs和Steve Wozniak在1977年所製造的Apple I、Apple II則可以算是第二部個人電腦,這是一種8位元電腦。 除了IBM相容PC之外,Apple公司所推出的麥金塔(Mac,macintosh)也是相當普遍的個人電腦。
膝上型電腦 膝上型電腦(laptop computer)又稱為筆記型電腦(notebook computer)或可攜式電腦(portable computer),這是一種相當輕巧的個人電腦,輕到可以放在膝上使用,然後摺起來收進公事包內拎著走。 膝上型電腦的外觀及操作方式與桌上型電腦(desktop computer)大同小異,但為了方便攜帶,機體本身必須輕巧、耐震、穩定性高、耗電量低、支援無線通訊,如此一來,外出工作的人員或外出上課的學生不僅能夠攜帶大量資料,還可以利用無線通訊功能與客戶或朋友聯繫。
手持式電腦 手持式電腦(handheld computer)又稱為掌上型電腦(palmtop computer),主要就是指個人數位助理(PDA,personal digital assistants),這是一種以手寫輸入、觸控式螢幕或語音辨識等方式來做輸入的裝置,機體小到可以放進口袋或手提袋,支援無線通訊、行動辦公室、行事曆、便條、電子郵件、傳真、電話等功能。 • 嵌入式電腦 日常生活中處處可見只做某些工作的特殊用途電腦(special purpose computer),這些電子產品都是由隱藏於內部的微處理器來加以控制,也就是嵌入式電腦(embedded computer)。 嵌入式電腦的微處理器有點類似個人電腦,不同的是用來控制電子產品的程式是儲存在快閃記憶體(flash memory)或ROM(Read Only Memory,唯讀記憶體) 。
1-2 電腦的基本單位 數位訊號(digital signal)就是以預先定義的符號表示不連續的訊號,和數位訊號相反的則是類比訊號(analog signal),這指的是連續的訊號。
電腦的基本單位叫做位元(bit,binary digit),一個位元有0與1兩個值,可以用來表示On或Off、Yes或No、開或關、對或錯、亮或暗等只有兩個狀態的資料,我們將這種只有兩個值的系統稱為二進位系統(binary system)。 一個位元只能表示兩個狀態,無法表示字母、數字或特殊符號,此時可以將多個位元組合成較大的單位,我們將需要使用一個位元組來表示的資料稱為字元(character)。 除了位元組之外,常見的單位還有千位元組(KB,kilobyte)、百萬位元組(MB,megabyte)、十億位元組(GB,gigabyte)、兆位元組(TB,terabyte)、千兆位元組(PB,petabyte)等,分別是由210、220、230、240、250個位元組所組成。
我們可以使用KB、MB、GB等單位來描述硬碟、光碟、磁帶等儲存裝置的容量,例如一部80GB的硬碟、一片650MB的CD-ROM或一片4.7GB的DVD,也可以使用這些單位來描述檔案的大小,數據機、數據卡、網路卡等通訊裝置的資料傳輸速率(data transfer rate)則是以bps(bits per second)為單位,意指每秒鐘能夠傳輸幾個位元。
<資訊部落>數字系統簡介 在日常生活中,我們採用的數字系統通常是十進位系統(decimal system),也就是以0、1、2 ~ 9等十個數字做為計數的基底(base),逢10即進位。 電腦則是採用二進位系統,不過,一長串的0與1並不容易閱讀,於是發展出數種表示法,其中以八進位系統和十六進位系統最普遍,前者是以0、1、2 ~ 7等八個數字做為計數的基底,逢8即進位,而後者是以0、1、2 ~ 9、A、B、C、D、E、F等十六個數字做為計數的基底,逢16即進位。為了便於區分,我們習慣在十進位系統以外的數字右下方標示基數,例如1102、778、5A16分別表示二、八、十六進位數字。
<資訊部落>編碼方式簡介 • 編碼方式則有好幾種,常見的如下: • ASCII(American Standard Code for Information Interchange,唸做“as-key“):ASCII是使用7個位元表示128(27)個字元,以大小寫英文字母、阿拉伯數字、盤上的特殊符號(% $ # @ * & ! ...)及諸如喇叭嗶聲、游標換行、列印指令等控制字元為主。不過,為了方便起見,ASCII字元是存放在一個位元組裡面,也就在原來的7位元之外,再加上一個最高有效位元0。 • ASCII-8(Extended ASCII):由於ASCII字元是存放在一個位元組裡面,所以有些廠商便將它擴充為ASCII-8,也就是使用8位元表示256(28)個字元,前面128個字元和ASCII相同,剩下的128個字元則用來表示其它控制字元或非字元的圖像。
Unicode:Unicode的誕生是為了涵蓋電腦所使用的文字及各個語系,例如英文、中文、日文、拉丁文、希臘文...,而不必針對不同的語系設計不同的編碼方式。Unicode是使用16位元表示216(65,536)個字元,前128個字元和ACSII相同。Unicode:Unicode的誕生是為了涵蓋電腦所使用的文字及各個語系,例如英文、中文、日文、拉丁文、希臘文...,而不必針對不同的語系設計不同的編碼方式。Unicode是使用16位元表示216(65,536)個字元,前128個字元和ACSII相同。
1-3 電腦的基本組成 電腦的基本組成包括下列四個單元: 輸入單元(input unit):輸入單元可以接收外面的資料,包括文 字、圖形、聲音與視訊,然後將這些資料轉換成電腦看得懂的格式,傳送給處理單元做運算。 處理單元(processing unit):處理單元指的就是「中央處理 器」(CPU,central processing unit),電腦的算術運算與邏輯運算都是由它來執行。
記憶單元(memory unit):記憶單元用來儲存處理單元進行運算時所需要的資料或程式,以及儲存處理單元運算完畢的結果。記憶單元又分為記憶體(memory)和儲存裝置(storage Device)兩種,前者又稱為主要儲存媒體(primary storage),用來暫時儲存資料;而後者又稱為次要儲存媒體(secondary storage)或輔助儲存媒體(auxiliary storage),用來長時間儲存資料。 輸出單元(output unit):輸出單元可以將處理單元運算完畢的資料轉換成使用者可以理解的文字、圖形、聲音與視訊,然後顯示出來。 主機:處理單元及記憶體、硬碟、光碟機等記憶單元均位於主機內 喇叭:喇叭可以播放聲音,屬於輸出單元 螢幕:螢幕可以顯示執行結果,屬於輸出單元 滑鼠:滑鼠可以取得使用者輸入的動作,屬於輸入單元 鍵盤:鍵盤可以取得使用者輸入的資料,屬於輸入單元
主機更是一部電腦的中樞,負責協調電腦的所有運作,舉凡CPU(中央處理器)、主記憶體、硬碟、顯示卡、網路卡、音效卡等重要的電子元件均位於主機內。 由於主機的作用除了放置電子元件之外,也同時兼負起保護電子元件及散熱的責任,因此,主機不僅要拆卸容易,更要具備材質輕巧、散熱性佳、擴充性高等優點。 1-4 電腦的主機
中央處理器(CPU,central processing unit)的功能是進行算術運算與邏輯運算,又稱為「微處理器」(microprocessor)或「處理器」(processor)。 1-5 中央處理器(CPU) 1-5-1 CPU的結構 • CPU的結構包含下列三個部分: • 算術邏輯單元(ALU,arithmetic/logic unit):ALU是負責算術運算與邏輯運算的電路。 • 控制單元(CU,control unit):CU是負責控制資料流與指令流的電路,它可以讀取並解譯指令,然後產生訊號控制ALU、暫存器等CPU內部的元件完成工作。 • 暫存器(register):暫存器是位於CPU內部的記憶體,用來暫時儲存正在進行運算或剛好運算完畢的資料。
CPU的結構 • CPU • 知名的CPU
1-5-2 CPU的效能 時脈(clock),又稱為系統時鐘,這是一個類似時鐘的裝置,每計數一次,稱為一個時脈週期(clock cycle),CPU就能完成少量工作。 • CPU的速度分成下列幾個單位: • 外頻:這是CPU外部的工作頻率,即CPU存取主記憶體的速度,單位為MHz。 • 內頻:這是CPU內部的工作頻率,通常是外頻的倍數,而此倍數稱為倍頻。 • MIPS(million instructions per second):意指每秒鐘可以完成幾百萬個指令,適用於PC、工作站或大型電腦。 • MFLOPS(million floating operations per second):意指每秒鐘可以完成幾百萬個浮點數運算,適用於需要大量浮點數運算的機器,例如超級電腦。 • TPS(transactions per second):意指每秒鐘可以完成幾個交易,適用於商業交易機器。
1-6 記憶體 記憶體(memory)分為RAM和ROM兩種,基本上,電腦內的RAM數量愈多,速度就愈快,至於電腦最多支援多少RAM,則視電腦的設計架構及作業系統而定: • RAM(random access memory,隨機存取記憶體):RAM屬於揮發性(volatile)記憶體,也就是在中斷電源的供應後,RAM所儲存的資料會消失。RAM又分為下列兩種: • DRAM(dynamic RAM,動態隨機存取記憶體):DRAM是使用電容(capacitor)儲存資料,它之所以命名為「動態」是因為電容上的微小電荷容易流失,必須藉由更新電路不斷重建,電腦的主記憶體就是採用DRAM。 • SRAM(static RAM,靜態隨機存取記憶體):SRAM是使用正反器(flip-flop)儲存資料,它之所以命名為「靜態」是相對DRAM而來,因為SRAM無須藉由更新電路不斷重建,存取速度比DRAM快,成本比DRAM高,電腦的快取記憶體就是採用SRAM。
ROM(read only memory,唯讀記憶體):ROM屬於非揮發性(nonvolatile)記憶體,也就是在中斷電源的供應後,ROM所儲存的資料不會消失。ROM又分為下列三種: • PROM(programmable ROM,可程式唯讀記憶體):PROM是透過燒錄器寫入資料,資料一經寫入後,就無法抹除或更新。 • EPROM(erasable PROM,可抹除可程式唯讀記憶體):EPROM是透過紫外線寫入或更新資料。 • EEPROM(electronically EPROM,電子式可抹除可程式唯讀記憶體):EEPROM是透過電流寫入或更新資料。 由於ROM所儲存的資料不會隨著電源的中斷而消失,因此,電腦的啟動指令和其它重要的資料就是儲存在ROM裡面。此外,一些高階的印表機也是將字元集的資料儲存在ROM裡面。
記憶體的階層: • 暫存器(register):這是位於CPU內部的記憶體,用來暫時儲存目前正在進行運算或剛好運算完畢的資料,速度最快、容量最小。 • 快取記憶體(cache memory):這是介於CPU與主記憶體之間的記憶體(通常內建於CPU,少數是以晶片的形式安插在主機板上面),用來暫時儲存最近存取過或經常存取的資料,當CPU需要資料時,就先到快取記憶體找,若找不到,才要到主記憶體找,速度居中、容量居中。 • 主記憶體(main memory):這是安插於主機板的記憶體,位於CPU外部,中間透過匯流排來存取,用來暫時儲存CPU進行運算時所需要的資料或程式,或暫時儲存CPU處理完畢的結果,速度較慢、容量較大。 記憶體的階層 主記憶體
1-7 儲存裝置 儲存裝置(storage device)可以用來長時間儲存資料,它和主記憶體不同,首先,主記憶體可以直接由CPU存取,屬於線上儲存裝置(on-line storage),而儲存裝置不能直接由CPU存取,必須透過輸入/輸出介面(I/O interface),屬於離線儲存裝置(off-line Storage)。 儲存裝置的存取方式有循序存取(sequential access)和隨機存取(random access)兩種,循序存取必須依照順序,想要存取後面的位置,必須先存取前面的位置;反之,隨機存取則無須依照順序,想要存取哪個位置就存取哪個位置。
1-7-1 硬碟 硬碟(hard disk)可以用來存放作業系統、應用軟體與資料,內部構造主要有碟片、存取臂、主軸馬達及讀寫頭,碟片的表面塗有一層磁性薄膜供讀寫,而存取臂可以移動讀寫頭快速找到資料,當主軸馬達高速轉動時,會帶動氣流產生浮力,使讀寫頭浮在碟片上方或下方,然後沿著碟片上表面或下表面走過一個圓形軌跡,以讀取或寫入資料,這個圓形軌跡叫做磁軌(track)。 磁軌又分割為多個圓弧,稱為磁區(sector),每個磁軌包含相同數量的磁區,每個磁區為512位元組。數個磁區的集合叫做磁簇(cluster),在讀寫硬碟的資料時,須以磁簇為單位,至於磁柱(cylinder)則是各個碟片上相同磁區的集合。
硬碟的內部構造 硬碟 磁軌與磁區 磁柱
硬碟的規格 尺寸(size):桌上型電腦主流的硬碟尺寸為3.5吋,而筆記型電腦主流的硬碟尺寸為2.5吋。 容量(capacity):硬碟的容量愈大,能夠存放的資料就愈多。目前是以GB(109)為單位,未來可望提昇到以TB(1012)為單位。 硬碟控制介面(HDC,hard disk controler):平常所講的硬碟泛指三個部分,包括硬碟本身、硬碟控制介面及排線,由於硬碟控制介面通常內建於主機板,所以還需要一條排線連接硬碟與主機板上面的硬碟控制介面。內接式硬碟的控制介面主要有ATA(IDE)、SATA(Serial-ATA)、SCSI、SAS(Serial Attached SCSI), 外接式硬碟的控制介面則有USB、IEEE 1394、eSATA 等。 轉速(spindle speed):這是硬碟內部主軸馬達轉動的速度,以RPM(revolutions per minute)為單位(每分鐘轉動幾圈),轉速愈高,存取效率就愈佳。目前ATA/SATA硬碟的轉速是以7200RPM為主,而SCSI/SAS硬碟的轉速是以15000RPM為主。
平均搜尋時間(average seek time):這指的是從硬碟找到資料位置所需的平均時間,以ms(毫秒)為單位,通常硬碟的轉速愈高、碟片密度愈高,平均搜尋時間就愈短。 資料傳輸速率(data transfer rate):在硬碟找到資料位置後,還要將資料傳送給電腦,資料傳輸速率指的就是將資料傳送給電腦的速率,例如ATA-133、SATA 1.0硬碟的資料傳輸速率分別為133、150MB/sec。 • 磁碟分割 由於磁碟容量動輒上百GB,為了方便管理,我們通常會將它劃分為幾個分割磁區(partition),每個分割磁區就像獨立的小硬碟,擁有各自的磁碟代號,例如一個80GB的硬碟可以劃分為三個大小為20、30、30GB的分割磁區,磁碟代號為C:、D:、E:,分別用來存放作業系統、應用軟體和資料,若要重新劃分,可以再次進行磁碟分割(disk partitioning)。
磁碟重組 許多作業系統在將資料寫入磁碟時,並不要求連續空間,但長時間下來,磁碟的磁軌會因為資料的寫入或刪除而變得不連續,造成讀寫速度減慢,此時,只要使用磁碟重組(disk defragment)程式整理磁碟的資料,將經常使用的程式或資料放在連續空間即可。
磁碟掃瞄 當磁碟的檔案或資料發生損毀、遺失、壞軌或交互連結(多個檔案的指標指向相同磁簇)等錯誤情況時,我們可以試著使用磁碟掃瞄(disk scan)程式修復這些錯誤。以壞軌為例,當磁碟掃瞄程式檢查出磁碟有壞軌,它會嘗試著將壞軌的資料搬移到其它磁軌(不一定成功),然後將壞軌標示起來,避免日後再將資料寫入壞軌,造成無法讀取。
1-7-2 軟碟 軟碟(floppy disk)包含軟碟片和軟碟機兩個部分,軟碟片的外殼為塑膠材質,裡面的儲存媒體是一個塗有磁性薄膜的圓形塑膠碟片,而軟碟機則是用來讀寫軟碟片的設備。 當使用者將軟碟片推入軟碟機時,軟碟機會扣住軟碟片的記錄窗板,露出圓形塑膠碟片,待要進行讀寫時,馬達便轉動圓形塑膠碟片,將要進行讀寫的磁區旋轉到讀寫頭下方,讀寫頭再去讀取或寫入資料。
1-7-3 光學儲存裝置 前述的硬碟和軟碟均屬於磁性儲存裝置(magnetic storage),而光碟(optical disk)則屬於光學儲存裝置(optical storage),雖然目前的儲存裝置仍以磁碟為主,但體積小、容量大、可靠度高、使用壽命長的光碟亦極為普遍。 光碟分成光碟片與光碟機兩個部份,光碟片是在聚碳酸酯塑膠上覆蓋一層反射鋁質,藉由不同的反射面,將資料記錄在光碟片。 • CD-ROM(唯讀光碟) CD-ROM(compact disc-ROM)的直徑約12公分,播放時間約74分鐘,容量約650MB,只能讀取不能寫入。CD-ROM光碟機讀取資料的速度是以倍速為單位,倍速愈高,讀取速度就愈快,單倍速的讀取速度為每秒鐘150KB。
VCD(影音光碟) VCD(Video CD)的直徑約12公分,播放時間約74分鐘,容量約650MB,只能讀取不能寫入,但和CD-ROM不同的是它採用MPEG-1壓縮技術儲存影音資料。 • CD-R/CD-RW CD-R(CD-Recordable)允許多次讀取與一次寫入,它是利用雷射光束將凹槽燒錄到軌道上的有機染料,藉以將資料寫入CD-R光碟片;CD-RW(CD-ReWritable)允許允許重複讀寫,它是利用三種不同能量的雷射光束將凹槽燒錄到軌道上的金屬混合物,藉以將資料寫入CD-RW光碟片,同一個位置能夠重複寫入或抹除。
DVD(數位影音光碟) DVD(digital video disc)採用MPEG-2壓縮技術儲存資料,容量約4.7GB,播放時間約133分鐘。DVD光碟機讀取資料的速度也是以倍速為單位,但單倍速的讀取速度為每秒鐘1,350KB。 市場上又興起Blu-ray Disc和HD-DVD兩種採用藍色雷射光束的規格,由於藍色雷射光束的波長比紅色雷射光束更短,使得光碟上的凹槽及軌道距離更小,故能讀寫儲存密度更高的資料,提昇光碟儲存容量。 Blu-ray Disc燒錄器
1-8 網路與資料共用 在電腦誕生的早期,使用者是透過個別的終端機連線到大型電腦,以存取大型電腦所提供的資源與服務。之後個人電腦的運算能力日益強大且成本持續下降,使得愈來愈多人擁有自己的電腦,漸漸地,人們不再滿足於單機的作業環境,於是開始有人將多部電腦連接在一起,形成所謂的區域網路(LAN,local area network),這些電腦可能位於同一棟建築物的不同辦公室、同一個公司或學校的不同建築物。透過區域網路,人們能夠分享軟體、硬體、資料等資源,同時應用至辦公室自動化、多媒體教學、視訊會議等方面。 當有兩個或多個網路連接在一起時, 便形成了所謂的互聯網(internetwork),簡稱為internet。 請注意,internet(小寫字母i)和Internet(大寫字母I)是不同的,前者指的是相互連接的網路,後者專指網際網路,這是全世界最大的電腦網路,它不是單獨一個網路,而是由成千上萬個大小網路所構成。
重點整理 • 超級電腦(supercomputer)是功能最強、執行速度最快的電腦,用來進行大量儲存與高速運算。 • 大型電腦(mainframe)的功能及執行速度僅次於超級電腦,而且可以同時服務多位使用者,提供集中的資料儲存及處理功能。 • 迷你電腦(minicomputer)和大型電腦一樣提供集中的資料儲存及處理功能,只是儲存能力及執行速度沒有大型電腦強。 • 微電腦(microcomputer)指的是採用微處理器的電腦,例如工作站、個人電腦、膝上型電腦、手持式電腦、嵌入式電腦等。
電腦的基本單位是0與1,稱為一個位元(bit),而這種只有兩個值的系統稱為二進位系統,至於一個位元組(byte)則是由8個位元所組成。電腦的基本單位是0與1,稱為一個位元(bit),而這種只有兩個值的系統稱為二進位系統,至於一個位元組(byte)則是由8個位元所組成。 • 我們通常使用KB、MB、GB等單位來描述儲存裝置的容量或檔案的大小,這些單位分別是由210、220、230個位元組所組成。 • 我們通常使用bps、Kbps、Mbps、Gbps 等單位來描述通訊裝置的資料傳輸速率,這些單位分別表示每秒鐘傳送1、1,024(210)、1,048,576(220)、1,073,741,824(230)個位元。
電腦的基本組成包括下列四個單元: • 輸入單元(input unit):負責接收外面的資料,然後傳送給處理單元。 • 處理單元(processing unit):處理單元指的就是中央處理器(CPU),負責執行算術運算與邏輯運算。 • 記憶單元(memory unit):負責儲存資料,又分為記憶體(memory)和儲存裝置(storage device)兩種,前者用來暫時儲存資料,而後者用來長時間儲存資料。 • 輸出單元(output unit):負責將處理單元運算完畢的資料傳送到外面。 • 記憶體(memory)分為RAM和ROM兩種,在中斷電源的供應後,RAM所儲存的資料會消失,而ROM所儲存的資料則不會消失。 • 網路(network)是兩部或以上的電腦連接在一起所形成的集合,我們可以透過網路分享軟體、硬體、資料等資源。