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計算機簡介

計算機簡介. 1-1 計算機科學大事紀 1-2 當代計算機的通用架構 1-3 計算機應用及未來展望. 西元 1801 年. Joseph-Marie Jacquard 發明了 提花織布機 (Jacquard loom) ，第一部使用儲存器及程式設計概念的機器。 以打孔卡片 (punched card) 來 控制織布機的編織流程 。 1725 年，法國紡織工人魯修（ Basile Bouchon ）為便於轉織圖樣，在織布機套上穿孔紙帶. 1801 年 ︰ 卡片時期. 西元 1822 年.

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  1. 計算機簡介 1-1 計算機科學大事紀 1-2 當代計算機的通用架構 1-3 計算機應用及未來展望

  2. 西元1801年 Joseph-Marie Jacquard發明了提花織布機(Jacquard loom)，第一部使用儲存器及程式設計概念的機器。以打孔卡片(punched card)來控制織布機的編織流程。 1725年，法國紡織工人魯修（Basile Bouchon）為便於轉織圖樣，在織布機套上穿孔紙帶 1801年︰卡片時期

  3. 西元1822年 英國數學家Charles Babbage (1791-1871)開始設計Difference Engine(差分機)，可做簡單的數學運算。其為計算機先驅。可程式計算機的發明。 平方、多項式加法、精確度達6位小數。 起因於發現「英國制航海表」中的錯誤，萌生了研發”制表機的機器”。然前人發明之機械式計算機無用處。 1820-1900:程式化計算機

  4. 西元1844年 Samuel Morse(1791-1872)，美國發明家。利用摩斯密碼，從華盛頓傳了一份電報到巴爾地摩。 1820-1900:程式化計算機

  5. 西元1937年 杜林機(Turing Machine)的概念是英國數學家阿蘭·杜林(Alan Turing)于1937年提出的一種抽象計算模型 • 杜林的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的過程，他把這樣的過程看作下列兩種簡單的動作： • 在紙上寫上或擦除某個符號； • 把注意力從紙的一個位置移動到另一個位置； • 而在每個階段，人要決定下一步的動作，依賴於 (a) 此人當前所關注的紙上某個位置的符號和(b) 此人當前思維的狀態。為了模擬人的這種運算過程，杜林構造出一台假想的機器，該機器由以下幾個部分組成： • TAPE（一條無限長的紙帶）︰紙帶被劃分為一個接一個的小格子，每個格子上包含一個來自有限字母表的符號，字母表中有一個特殊的符號 表示空白。紙帶上的格子從左到右依此被編號為 0, 1, 2, ... ，紙帶的右端可以無限伸展。 • HEAD（一個讀寫頭）︰該讀寫頭可以在紙帶上左右移動，它能讀出當前所指的格子上的符號，並能改變當前格子上的符號。 • TABLE（一套控制規則）︰它根據當前機器所處的狀態以及當前讀寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，並改變狀態暫存器的值，令機器進入一個新的狀態。 • 一個狀態暫存器︰它用來保存杜林機當前所處的狀態。杜林機的所有可能狀態的數目是有限的，並且有一個特殊的狀態，稱為停機狀態。 • 注意這個機器的每一部分都是有限的，但它有一個潛在的無限長的紙帶，因此這種機器只是一個理想的設備。杜林認為這樣的一台機器就能模擬人類所能進行的任何計算過程。

  6. 西元1945年 John von Neumann介紹了「儲存程式」(stored program)的概念，今日的數位電腦基本上都是採用這個概念所建構而成的。 1945年6月，紐曼等人，聯名發表了一篇長達101頁紙的報告，即計算機史上著名的「101頁報告」，是現代電腦科學發展里程碑式的文獻。明確規定用二進制替代十進制運算，並將計算機分成五大組件，這一卓越的思想為電子計算機的邏輯結構設計奠定了基礎，已成為計算機設計的基本原則 匈牙利裔美國數學家。在布達佩斯大學獲得博士學位。後移居美國，在普林斯頓大學（1930）教學。

  7. 赫茲（英語：Hertz） • 赫茲（英語：Hertz），國際單位制中頻率的單位，它是每秒中的週期性變動重複次數的計量。赫茲的名字來自於德國物理學家海因里希·魯道夫·赫茲。其符號是Hz。 • 1Hz=1/s KHz: Kilo Hertz MHz: Mega Hertz GHz: Giga Hertz THz: Tera Hertz PHz: Peta Hertz EHz: Exa Hertz

  8. 電子元件  電阻  電容  二極體  電晶體

  9. 電晶體（transistor） • 電晶體（transistor）是一種固態半導體元件，可以用於放大、開關、穩壓、信號調製和許多其他功能。 • 電晶體作為一種可變開關，基於輸入的電壓，控制流出的電流，因此電晶體可做為電流的開關，和一般機械開關（如Relay、switch）不同處在於電晶體是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。 GHz(Giga Hertz )是波動頻率單位之一。波動頻率的基本單位是赫茲，採千進位制，1GHz相當於1000兆赫(MHz)，也就是10^{9}赫茲。

  10. Matlab • MATLAB是一種由美國MathWorks公司出品的商業數學軟體，是一種數值計算環境和程式語言，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB基於矩陣（英語：Matrix）運算，其全稱MATrix LABoratory即得名於此。它在數學類科技應用軟體中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪製函數和數據、實現演算法、創建用戶界面、連接其他程式語言的程序等，主要應用於工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。 • 20世紀70年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任Cleve Moler為了減輕學生編程的負擔，用FORTRAN編寫了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場。到20世紀90年代，MATLAB已成為國際控制界的標準計算軟體。

  11. 真空管 二十世紀初無線電先驅以真空管執行兩種功能 • 接收來自天線的微弱無線電信號，然後增強或放大， 足以驅動擴音器， 因此能將電子信號轉換成能夠聽見的聲響。 • 裝了適當導線的真空管可以快速切換開關（每秒一萬次) ，這種功能是數位電腦不可或缺的。 真空管缺點是體積龐大、昂貴、 脆弱、 耗電量驚人、 高熱… -Debug

  12. 西元1948年 美國貝爾實驗室的巴丁（Bardeen）、布萊頓（Brattain）與蕭克利（Shockley）等人於1947年發明以鍺元素作為半導體基材的電晶體。 • 在一九四八年發明電晶體前，是以真空管做為主動元件，由於體積龐大、功率消耗高、且可靠度不佳，因而限制了電子電路的發展。自從發明電晶體以後，這種以半導體為材料製成的新主動元件，因具備體積小、省電、耐用等優點，大量取代了真空管，使得電子電路邁入了電晶體的紀元。 美國貝爾實驗室的巴丁（Bardeen）、布萊頓（Brattain）與蕭克利（Shockley）等人於1947年發明以鍺元素作為半導體基材的電晶體

  13. 西元1958年 美國德州儀器公司的基爾比（Jack Kilby）先生與快捷公司的諾斯（Robert Noyce）先生設計出積體電路(IC，Integrated Circuit) 。 • 一九五八年，美國德州儀器公司的基爾比（Jack Kilby）先生與快捷公司的諾斯（Robert Noyce）先生，不約而同地提出一個新的構想，他們想用鍺或矽製作一個完整的電路，也就是想辦法把以前由很多個單獨的電晶體、電阻、電容、電感等元件所 組成的電路，製作在單一鍺或矽晶片上。 Jack Kilby Robert Noyce

  14. 西元1958年 美國德州儀器公司的基爾比（Jack Kilby）先生與快捷公司的諾斯（Robert Noyce）先生設計出積體電路(IC，Integrated Circuit)。 • 積體電路[或稱集成電路]（Integrated Circuit, 通常簡稱 IC）就是將電晶體、二極體、電阻、電容等電子元件，用微電子的技術將其做在一片長寬約為半公分以內的晶片上。

  15. 西元1971年 • Niklaus Wirth開發了Pascal程式語言。 • Ray Tomlinson寄發了第一封的email。 Vacuum tubes (真空管) transistor (電晶體) IC (Integrated Circuit; 積體電路) VLSI 表1-1：第一代電腦到第四代電腦

  16. IC技術發展趨勢 小－元件愈來愈小 大－晶圓愈來愈大 廣－應用愈來愈廣 快－速度愈來愈快 雜－功能愈來愈雜

  17. 西元1991年 芬蘭赫爾辛基大學的學生Linus Torvalds(五年級後段班的學生)，基於Unix的開放原始碼，創作了個人電腦作業系統Linux(Linus + Unix)，時間已證明Linux的確是Windows之外，一個可行的替代選擇 。

  18. 西元2001年 西元2003年 • Windows XP問世 = Window NT + Window 95 • Home Edition及Professional兩種版本 • XP乃“eXPerience”的縮寫，體驗之義(數位的體驗、通訊的體驗、無線的體驗) • Jimmy Wales創建了一部免費的網路百科全書，稱為「維基百科」 (Wikipedia) 。 • Intel Centrino行動運算技術平台 • 無線網路 • 省電技術 • 較小體積 Centrino之CPU 採用 Intel 所提供的 Pentium-M (Move)處理器, 再搭配 Intel 的 855/865 晶片組及 Wi-Fi 無線模組等等都整合一起的解決方案。

  19. 1-2 計算機的通用架構 • von Neumann提出儲存程式的概念

  20. 記憶體(Memory) 輸入 鍵盤 滑鼠 掃描器 輸出 螢幕 印表機 算術還輯單元(Arithmetic Logic Unit) 控制單元 (Control Unit) 中央處理器(Central Processing Unit; CPU) 1-2 計算機的通用架構 • 「馮紐曼模式」(von Neumann Model) • 最主要的精神在於「儲存程式」(stored program)的概念 圖1-19 馮紐曼模式

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