1 / 118

資訊新未來

第 1 章. 資訊新未來. 學習目標. 看完本章 , 您應該學會以下主題： 電腦的定義 電腦硬體的五大單元架構 , 以及其運作原理 電腦的演進歷史與未來發展的趨勢 電腦有哪些種類. 前言. 自 20 世紀中期以來 , 電腦迅速地融入人類生活 , 數十年來資訊科學的發展早已超出原先的計算器範疇 , 而成為一種新的資訊製造器、儲存器、傳播器 , 其所涵蓋的資訊範圍 , 也已包含了所有的知識領域。

jude
Download Presentation

資訊新未來

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第 1 章 資訊新未來

  2. 學習目標 • 看完本章, 您應該學會以下主題： • 電腦的定義 • 電腦硬體的五大單元架構, 以及其運作原理 • 電腦的演進歷史與未來發展的趨勢 • 電腦有哪些種類

  3. 前言 • 自 20 世紀中期以來, 電腦迅速地融入人類生活, 數十年來資訊科學的發展早已超出原先的計算器範疇, 而成為一種新的資訊製造器、儲存器、傳播器, 其所涵蓋的資訊範圍, 也已包含了所有的知識領域。 • 從科技、藝術、人文、教育...等, 各領域都開始使用電腦為工具。因此, 身為 21 世紀的現代人, 我們有必要對於電腦的定義、發展歷史, 以及未來趨勢有所認識與了解。

  4. 1-1 電腦是什麼 • 一直以來, 人類不斷地發明可以幫助人們處理資料的工具, 從算盤、計算尺、到機械式的加法器等等。發明這些工具的目的, 無非是希望能藉以提升資料處理的速度及準確度。 • 但在二十世紀前, 這些計算器都還停留在機械式的範疇, 且在計算及處理資料的能力上未能有大幅度的提升。直到使用電子科技的電腦誕生, 人類才跨出革命性的一步, 並開啟了資訊時代。

  5. 1-1 電腦是什麼

  6. 1-1 電腦是什麼 • 電腦的英文名稱為 Computer, 所以正式的中文名稱應為計算機或電子計算機, 不過目前一般皆通稱為電腦, 所以本書也將使用電腦為其名稱。

  7. 1-1-1電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 電腦是一種可以接受資料、命令, 並加以分析、過濾以迅速處理資料, 然後輸出對應結果的電子化設備。 • 一部電腦包含硬體 (Hardware) 及軟體(Software) 兩大部分, 兩者互相搭配, 才能有效運作, 完成我們要求的工作。其中所謂硬體, 是指組成電腦的各項機械、電子設備；而軟體則是用以控制電腦動作的指令、程式。

  8. 1-1-1電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 電腦硬體的架構主要是由輸入、記憶、控制、算術與邏輯、輸出等 5 大單元所組成：

  9. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 輸入單元 (Input Unit)：輸入單元是將資料輸入電腦的管道。當我們輸入資料時, 輸入單元會將這些資料先轉換成電子訊號, 然後才傳送至電腦內部處理。 • 鍵盤、滑鼠、讀卡機、光筆、條碼閱讀機、掃瞄器、數位相機...等均屬輸入單元的設備。

  10. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 記憶單元 (Memory Unit )：記憶單元是電腦存放程式與資料的地方。它包含主記憶體及輔助記憶體兩種, 主記憶體用來儲存處理中的程式和資料, 輔助記憶體則是用來儲存暫時不用的程式和資料。 • 硬碟機、軟碟機、光碟機...等是目前在個人電腦上使用相當普遍的輔助記憶體。

  11. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 控制單元 (CU, Control Unit )：控制單元負責控制、協調電腦各單元間的相互運作。電腦的所有作業程序、與其他單元間互動的協調工作、資料的傳遞等, 皆需透過此單元來控制監督。

  12. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 算術與邏輯單元 (ALU, Arithmetic/Logic Unit)：此單元是電腦執行算術運算、邏輯判斷的單元, 可說是電腦的核心。當資料由輸入單元送至記憶單元後, 電腦透過程式的控制將資料讀入此單元進行運算, 最後才將運算的結果送回記憶單元。 • 控制單元和算術與邏輯單元也可以合稱為中央處理單元(CPU, Central Processing Unit), 詳細說明請參考第 2 章。

  13. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 輸出單元(Output Unit)：輸出單元是電腦輸出資料的管道。資料經過算術運算後, 藉由輸出單元將運算的結果顯示或列印出來。螢幕、印表機、喇叭、繪圖機...等均屬於輸出單元的設備。 • 本書第 2 ~ 4 章會詳細介紹這 5 大單元, 至於軟體種類的說明, 則請參考本書 7-1 節。

  14. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture) • 前述電腦硬體的五大單元架構, 就是馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture), 依此架構設計的電腦, 則稱為儲存程式型電腦 (Stored-Program Computer)。

  15. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture)

  16. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture) • 最早的計算機是為特定用途所製造 (例如 1-2-2 節介紹的 ENIAC 其目的是為了計算砲彈的彈道), 直接透過電路設計程式, 如果想改變其 "程式", 則必須更改線路, 甚至重新設計機器。 • 而馮紐曼架構, 則是將 "程式指令" 由 "電路開關" 變為 "資料" 儲存在記憶體中, 算術與邏輯單元再由記憶體讀取指令執行。這樣的架構, 讓計算機不再只能為特定目的設計、製造, 而能有更廣泛的用途！

  17. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture) • 首部採用馮紐曼架構的電腦為 1949 年完成的 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), 而馮紐曼於 1945 年為開發 EDVAC 所寫的文獻 "First Draft of a Report on the EDVAC" 中, 即敘述了馮紐曼架構的基本概念。

  18. 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式 • 5 大單元各司其職, 分工合作, 以實現人們所要求的任務, 以下是 5 大單元的運作示意圖：

  19. 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式

  20. 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式 • 這 5 大單元清楚地劃分出每種配備的工作內容, 以及彼此的協調關係, 所以電腦就能正常運作了。

  21. 電腦的儲存單位與時間單位 • 由於電腦處理資料的速度非常快, 若使用日常生活中常用的小時、分, 甚至秒來描述其處理時間, 都很不方便, 因此通常使用更小單位。以下為電腦領域中, 較常用的時間單位： • 毫秒 (Millisecond, ms)：千分之一秒, 1 ms =10-3 s。 • 微秒 (Microsecond, μs)： 百萬分之一秒, 1μs= 10-6 s。 • 奈秒 (Nanosecond, ns)： 十億分之一秒, 1 ns= 10-9 s。

  22. 電腦的儲存單位與時間單位 • 電腦儲存資料的 『最小』 單位為位元 (bit), 每一個位元可以表示一個 0 或 1, 而 8 個位元則稱為 1 個位元組 (Byte)。 • 電腦的儲存設備基本上都以位元組作為資料存取的基本單位, 一般常見的單位與換算方式如下：

  23. 電腦的儲存單位與時間單位 • 1 Kilo Bytes (KB) = 210 Bytes = 1024 Bytes • 1 Mega Bytes (MB)= 220 Bytes = 1024 KB • 1 Giga Bytes (GB) = 230 Bytes = 1024 MB • 1 Tera Bytes (TB) = 240 Bytes = 1024 GB • Kilo、Mega...等都是公制單位的前置字, 其實依照公制的規定, 每個單位間的換算應該使用103, 而不是 210, 所以理論上 1 MB 應該等於 1000 KB, 其他單位也一樣應使用 1000 而非1024 做為換算的數字。

  24. 電腦的儲存單位與時間單位 • 為了解決可能發生混淆的問題, 國際電工委員會 (IEC, International Electrotechnical Commission)曾經提出一套新的前置字, 建議使用 KiB、MiB、GiB、TiB 做為以 1024 換算的單位, 讓 KB、MB、GB、TB 的換算數字回歸原本公制單位規定的 1000。 • 不過 IEC 提出的前置字尚未廣被接受, 目前大眾仍然習慣使用 1024 做為 KB、MB、GB、TB 的換算數字。所以本書隨後內容除非特別說明, 否則也會以 1024 為換算數字。

  25. 隨堂練習 1. 請計算 1 TB 等於多少 GB？多少 MB？多少KB？多少 Bytes？ 2. 請列出自己一天中使用電腦的時間有多少？用途為何？並想像如果沒有電腦的話, 自己應如何完成原本利用電腦處理的事情。

  26. 1-2 電腦的演進 • 從第一台電腦問世至今, 不過是短短 60 幾年的時間, 但其對人類的影響, 卻足以媲美前兩次的工業革命。在本節中, 我們要看看近半世紀以來電腦的發展：

  27. 1-2 電腦的演進

  28. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • 十九世紀的英國數學家 Charles Babbage 獲得了英國政府的資助, 開始研發差分機(Difference Engine), 這是一部使用蒸氣為動力的機械式計算器。 • 而後他更擴展了原先想法, 認為理想的計算機應該具有程式化的功能, 也就是可以依照指令改變執行程序, 因此轉而研發分析機 (Analytical Engine)。

  29. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)

  30. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • 可惜因為當時的技術跟不上 Babbage 的設計, 所以差分機與分析機最後皆無法製造成功。 • 不過因為 Babbage 劃時代的想法與設計, 已具備現代電腦運作的概念, 所以一般都公認 Babbage 為電腦之父。

  31. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • Babbage 設計分析機時, 當時的數學才女 Ada Lovelace 非常欣賞分析機的想法, 所以也一起參與研究。 • Ada 為分析機寫了一份如何計算白努利數 (Bernoulli Numbers) 的規劃 (演算法), 並且設計了一個流程圖, 因此後世稱 Ada 為歷史上第一位程式設計師。如果想要多瞭解 Ada 的成就, 可以參考 13-3 頁。

  32. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 1946 年, 人類第一部電腦問世, 稱為 ENIAC (Electronic Numer icalIntegrator And Computer)。是由美國賓州大學的 John W. Mauchly 與 J.Presper Eckert 以 『真空管』(Vacuum Tube) 為主要元件製造而成, 其目的是為了用來計算砲彈的彈道。 • 這部電腦使用了約 18,000 個真空管, 15,000 個繼電器 (Relay), 長 15 公尺, 寬 9 公尺, 重 30 噸, 一秒鐘內大約能作 5000 次加法運算

  33. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953)

  34. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 真空管的壽命短、不易散熱、易故障、又佔空間, 不過 ENIAC 的發明不僅為日後的電腦發展奠下基礎, 也宣告了『資訊化』時代的來臨。 • ENIAC 出現後, 1951 年第一部商用電腦 UNIVACI 誕生了, 這部電腦為美國人口普查局處理人口統計的資料, 前後共運轉了 12 年。而 ENIAC 則運轉了約十年, 於 1955 年 10 月 2 日退休。

  35. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 台灣第一台電腦, 是交通大學於民國 50 年引進 IBM 650 (1954年推出, 屬於真空管電腦)。

  36. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 1947 年, 貝爾實驗室的三位科學家 John Bardeen 、Walter Brattain 及William Shockley 發明了電晶體 (Transistor)。 • 由於電晶體與真空管比起來, 耗電少、體積小、穩定度又高, 因此逐漸被大量應用在電子學的領域, 且不久後便取代了真空管的地位。

  37. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963)

  38. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 電晶體的發明開啟了半導體科學的突破與發展, John Bardeen、Walter Brattain與 William Shockley 三人也因此獲得了1956 年的諾貝爾物理獎。而 John Bardeen 在 1972 年更因為超導理論獲得第二次諾貝爾物理獎, 成為目前唯一獲得兩次諾貝爾物理獎的科學家。

  39. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 1954 年, 貝爾實驗室使用電晶體製造了世界上第一部電晶體電腦, 讓電腦的發展又往前進了一步。此電腦中有 800 個電晶體, 體積及重量都較真空管電腦小, 而加法運算的速度則可達到 10-6秒。

  40. 1-2-4 積體電路電腦 －第 3 代電腦 (1964 ~ 1970) • 1964 年 IBM 向全世界宣布, 使用積體電路 (IC, Integrated Circuit) 研製成功的 IBM 360 系列電腦正式推出, 是第三代電腦的開始。 • 一片積體電路可以取代數個電晶體的功用, 因此第三代電腦的體積變小了許多, 重量也輕了許多, 運算速度則較電晶體電腦快了數百倍, 可達到10-8 秒, 然而價格卻更為便宜, 電腦不斷朝更快、更小、價格更低發展。

  41. 1-2-4 積體電路電腦 －第 3 代電腦 (1964 ~ 1970)

  42. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 由於積體電路技術不斷的改良, 延伸出高密度 IC, 稱為『超大型積體電路 (VLSI, Very Large Scale Integrated Circuit)』。超大型積體電路能容納比積體電路更多的元件, 每平方公分可容納數千至數萬個電子元件。 • 1971 年美國英特爾(Intel) 公司成功的將電腦中負責處理運算及控制部分的電子元件, 設計到一片 VLSI 晶片上, 發展出 『微處理器 (Microprocessor)』, 而第 4 代電腦便是使用微處理器做為電腦的中央處理單元 (CPU)。

  43. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 目前設計微處理器的廠商, 也不僅止於英特爾公司, 還有 AMD、IBM、威盛 (VIA)...等。 • 在這之前, 電腦只有大型電腦、迷你電腦等種類 (關於電腦的種類請參考1-3 節), 不論體積或售價, 都不是一般人所能負擔。不過微處理器使電腦的體積大幅縮小, 因而促成個人電腦 (PC, Personal Computer) 的推出, 每個人都能擁有電腦的時代於是來臨。

  44. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 最早被用來當成個人電腦 CPU 的微處理器是英特爾公司於 1974 推出的8080, 此後個人電腦的發展更加迅速。1981 年 IBM公司推出的 IBM PC 使用 Intel 8088 微處理器, 1983 年則開始加入 Intel 8086 微處理器, 1984 年以後使用 Intel 80286、80386、80486 的個人電腦陸續推出, 直到今日採用 Pentium、Core i7、Athlon、Phenom...等各種不同微處理器的個人電腦。

  45. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在)

  46. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 因為英特爾早期推出的個人電腦微處理器都是以 "86" 做為結尾, 這一系列的微處理器皆具備類似的架構而且向下相容 (新的可以相容舊的, 例如 80486 可以執行原本使用於 80386 的指令), 所以被稱為 x86 架構。x86 是目前個人電腦中最廣為使用的架構, 其他廠商製造的個人電腦微處理器也大多相容於 x86 架構。

  47. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 目前市面上的 Core i7、Phenom 等 x86 架構的微處理器, 都兼具 32、64 位元的功能, 此類由x86 擴充而來的 64 位元架構稱為 x86-64, 但也有人直接稱之為 x64 。

  48. 1-2-6 未來趨勢 －第 5 代人工智慧電腦 • 這幾年, 電腦不斷的朝體積小、儲存容量大、速度快、準確性高、功能強大、價格便宜等方向發展。 • 但電腦仍有其功能上的限制：人類無法解決的問題, 電腦也無法解決, 問題必須被量化、有正確的資料輸入、給予正確的解題方法 (程式、指令), 才能產生正確的輸出結果。也就是說, 電腦沒有人類的 『智慧』, 無法自行思考、累積知識、創造知識。

  49. 1-2-6 未來趨勢 －第 5 代人工智慧電腦 • 因此, 電腦在擁有高速運算的效能後, 未來的發展便朝向所謂具有 『人工智慧(AI, Artificial Intelligence) 』的第 5 代電腦：使用極大型積體電路、人工智慧、平行處理等技術, 能了解人類口語, 具有推理、累積知識能力的電腦。 • 第 5 代電腦與前四代發展不同, 其追求的不是物理性的體積縮小, 或性能上的速度加快, 而是根本能力上的改變, 因此所需突破的技術層面更高。目前能做到的只是讓電腦更方便使用、更人性化, 離真正的目標還有一段距離。

  50. 人工智慧 • 人工智慧的概念最早由 Alan Turing 提出, 並於 1956 年達特茅斯 (Dartmouth) 研討會中經多位學者討論後定名, 其主要的目的在於 『讓電腦能夠像人類一樣思考、推理及行動』。 • 目前人工智慧發展最大的問題在於：人類如何思考, 若我們無法先了解人類的思考方式, 又如何讓電腦思考？

More Related