計算機概論： 探索明日科技 第 2 章 硬體基本觀念：主機內部 Copyright © 2012 1

學習目標 以一般術語解釋電腦儲存及處理資訊的方式 描述電腦基本的結構與組織 探討電腦系統內部元件的功能與互動方式 說明電腦為何有不同類型的記憶體與儲存裝置

電腦可以做什麼 四項基本功能： 接收輸入：電腦從外面的世界接收資訊 處理資訊：電腦針對資訊進行算術或邏輯運算 產生輸出：與外面的世界溝通資訊 儲存資訊：儲存和擷取記憶體與儲存裝置中的資 訊

電腦可以做什麼 (續) 硬體元件 輸入裝置 輸出裝置 微處理器(CPU) 記憶體與儲存裝置 主要儲存媒體 次要儲存媒體 周邊裝置

關於位元 資訊 (information)：有價值的溝通 電腦：將沒有價值的資料轉換成有價值的資訊

位元基本觀念 位元 (bit，縮寫自Binary digit) 位元組 (byte) 電腦能處理的最小單位的資訊 一個位元可以有兩個值其中一個：1或0 位元組 (byte) 由8個位元所組成 可表示256個不同 的訊息 (256 = 28)

用位元當作數字 所有數字均由0和1這兩個數字所組成 將十進位數字自動轉換成二進位數字 使用者完全看不到電腦的二進位數字處理過程 十進位 0000 5 0101 1 0001 6 0110 2 0010 7 0111 3 0011 8 1000 4 0100 9 1001

用位元當作代碼 用代碼來表示文字、數字或特殊字元 ASCII：最普遍的編碼系統 Unicode：可表示超過100,000個字元 每個字元用不同的一組8個位元來表示 8個位元有256種排列組合，足以代表26個英文字母的大小寫、10個數字，以及特殊字元 Unicode：可表示超過100,000個字元

世界上的語言 ASCII字元集在設計之初就只考慮到英文字母，編 碼範圍為0到127 Unicode國際標準字元集可表達超過100,000個相 異的代碼，對大部分的現代語言來說已經足夠

位元、位元組與其他字組 位元組 (Byte) = 8個位元或一個ASCII字元 Kilobyte (KB, K) Megabyte (meg, MB) Gigabyte (gig, GB) Terabyte (TB) Petabyte (PB) ≈ 1,000個位元組 ≈ 1,000 KB或100萬個位元組 ≈ 1,000 MB或10億個位元組 ≈ 1百萬個MB或1 兆個位元組 ≈ 1 quadrillion 個位元組

各種數字系統 二進位系統：只有兩種數字，0和1 八進位系統：使用0 - 7這8個數字 八進位的最後一個符號是7，累積到8就進位 十六進位系統：使用0到9和英文字母的A到F (表示 十進位的10到15) 十六進位的最後一個符號是F (也就是十進位的15)，所 以累積到16就進一位

二進位系統 十進位的2表示成二進位數字是10 範例：

八進位系統 十進位的8表示成八進位 數字是10 八進位系統最大的二位數 是778 (等於十進位的6310) ，接下來是1008

十六進位系統 十進位的16表示成十六進位數 字是10 十六進位系統最大的二位數是FF (等於十進位的255) 範例： 十進位的16表示成十六進位數 字是10 十六進位系統最大的二位數是FF (等於十進位的255) 範例： 十六進位12AB的下一個數字？ 十六進位12AF的下一個數字？ 十六進位100016的前一個數字？

不同進位數字系統的轉換表

不同數字系統之間的轉換 從二、八、十六進位數字轉換成十進位數字 從十進位數字轉換成二、八、十六進位數字 從八或十六進位數字轉換成二進位數字 從二進位數字轉換成八或十六進位數字

八進位轉換成十進位

二進位轉換成十進位

十六進位轉換成十進位

十進位轉換成八進位

十進位轉換成二進位

十進位轉換成十六進位

八進位轉換成二進位

十六進位轉換成二進位

二進位轉換成八進位

二進位轉換成十六進位

電腦的核心：CPU與記憶體 數位電腦的本質不過是由許多開關裝置所組成， 這些開關裝置是設計來將資訊從一種形式轉換成 另一種形式 數位電腦的本質不過是由許多開關裝置所組成， 這些開關裝置是設計來將資訊從一種形式轉換成 另一種形式 使用者提供一連串位元當作輸入，而電腦則遵照 指令將輸入轉換成另一組不同的位元組合當作輸 出，並回傳使用者

CPU：真正的電腦 CPU又稱為 “處理器” 可將輸入轉換成輸出 轉譯並執行程式中的指令 執行算術和邏輯運算 透過記憶體間接溝通電腦系統的其他元件

CPU：真正的電腦 (續) 現代的微處理器 複雜的電子電路集合 CPU是和其他晶片及電子元件放在電路板上 包含電腦CPU的電路板稱為主機板

CPU：真正的電腦 (續) 選購電腦時 CPU的種類是很重要的抉擇 兩個重要的考慮因素： 相容性 效能

相容性 並不是所有軟體都與每個CPU相容 每個處理器有自己內建的指令集 相同家族的CPU晶片通常具有回溯相容的特性 新型處理器能夠執行舊型處理器的所有指令 AMD處理器能與Intel處理器相容 智慧型手機所使用的ARM處理器與Intel處理器不相容 針對Linux所撰寫的程式，不能在Windows上執行

效能 有些處理器比其他處理器快 效能高低取決於： 內部時脈的速度：單位為gigahertz (GHz) 處理器的架構 CPU一次可以處理的位元數目 通常為32或64位元：稱為字組大小 隨著時脈速度加快，CPU產生的熱能也持續增加

效能 (續) 多核心處理器 單一晶片包含多個CPUs (核心) 能同時執行 工作分割 幾乎所有的新PC都至少有兩個核心 四核心逐漸成為主流

效能 (續) 特殊用途處理器 支援基本CPU 一般CPU含有圖形處理單元 (GPU) 負責處理： 3D圖形顯示 其他視覺運算 9

從多核心到叢集 效能加強技術不僅限於CPU晶片內部 除了在單一CPU多加幾個核心之外，另一種提昇 效能的方法是在網路上多加幾台機器 平行處理技術在高階伺服器和工作站上已經使用 有一段時間 多核心CPU內部的多執行緒處理，就像世界上某 些大型運算網路使用的平行處理技術的縮小版

CPU 一般CPU可分成數個工作單元： 控制單元 算術邏輯單元 (ALU) 與暫存器 解碼單元 匯流排單元 預先擷取單元 這些單元的運作模式就像工廠的生產線，目的是 為了執行程式中的指令

CPU (續)

綠色運算 與重工業（如汽車業及能源工業）比較起來，電 腦工業相對來說對環境較溫和 製造及使用電腦的軟硬體，確實對環境有極大的 衝擊 與重工業（如汽車業及能源工業）比較起來，電 腦工業相對來說對環境較溫和 製造及使用電腦的軟硬體，確實對環境有極大的 衝擊 在你使用電腦相關事物時，可以盡量減低對環境 造成的影響

綠色運算 (續) 購買環保設備 使用筆記型電腦 善用省電功能 離開時就關機 該保護的是能源而不 是螢幕 完全關閉電源 避免使用會移動的零 件 只列印一次 多使用環保字型 資源回收 傳承下去 傳送位元而非原子 決策時考慮隱藏的環 境成本

電腦的記憶體 隨機存取記憶體 (RAM) 最常見的主要儲存裝置 可暫時儲存程式指令與資料 記憶體位置就像房子一樣有唯一的地址 揮發性：關掉電源儲存的資料即消失不見

電腦的記憶體 (續) 唯讀記憶體 (ROM) 互補金屬雙氧半導體 (CMOS) 快閃記憶體 所存放的資訊在晶片製造時就已經蝕刻在上面 存放開機啟動指令和其他重要的資訊 互補金屬雙氧半導體 (CMOS) 特殊的低耗電RAM 快閃記憶體 可重複寫入或清除資料 適用於數位相機、手機、手持電腦等數位裝置

記憶體 當你打開電腦的電源時，CPU會自動執行存放在ROM裡面 的作業系統指令 即將執行的指令幫助系統啟動，並告訴它如何載入作業系 統，也就是從磁碟複製到RAM 一旦作業系統指令被載入RAM，CPU就能夠執行它們

匯流排 主機板上元件之間的資訊溝通是透過一組叫做內 部匯流排或簡稱匯流排的線路 匯流排：處理器與RAM之間的橋樑 匯流排連接到： 主機板上元件之間的資訊溝通是透過一組叫做內 部匯流排或簡稱匯流排的線路 匯流排：處理器與RAM之間的橋樑 匯流排連接到： 安裝在固定架的儲存裝置 擴充槽 外部匯流排和連接埠

連接埠 電腦通常配備有為了符合不同需求的各式連接埠 連接螢幕的一或多個視訊連接埠 連接喇叭和耳機的音效連接埠 連接鍵盤、指向裝置、印表機、相機、磁碟機 、隨身碟等裝置的USB連接埠 有些連接埠直接連接到主機板 有些則先連接到擴充卡

周邊裝置 有了擴充槽和連接埠，要將周邊裝置加入電腦系 統變得較容易 有些周邊裝置如鍵盤、滑鼠、印表機等，扮演連 接人們與電腦的溝通橋樑 有了擴充槽和連接埠，要將周邊裝置加入電腦系 統變得較容易 有些周邊裝置如鍵盤、滑鼠、印表機等，扮演連 接人們與電腦的溝通橋樑 其他週邊裝置則是扮演連接電腦與其他機器的溝 通橋樑 還有些是長期儲存裝置

重點摘要 電腦的4項基本功能：接收輸入、處理資訊、產生 輸出、儲存資訊 電腦的4項基本功能：接收輸入、處理資訊、產生 輸出、儲存資訊 硬體元件依據功能可區分成四種：輸入裝置、輸 出裝置、微處理器或稱CPU、記憶體與儲存裝置 電腦的記憶體，又稱為主要儲存媒體或RAM，是 用來存放CPU立即要存取的程式與資料 儲存裝置又稱為次要儲存媒體，是用來長時間存 放資料，如硬碟

重點摘要 (續) 位元是資訊的最小單位，每個位元有兩個值。8個 位元合成1個位元組 位元是資訊的最小單位，每個位元有兩個值。8個 位元合成1個位元組 電腦內部是用二進位數字系統來表示數字，也就 是所有數字均由0和1所組成 CPU又稱為處理器，它可以將輸入轉換成輸出 每個處理器都有自己內建的指令集，也就是處理 器能夠執行的指令集合 CPU一次可以處理的位元數目稱為字組大小，通 常為32或64

重點摘要 (續) 多核心處理器是把多個能同時執行的CPU，或稱 核心放在同一個晶片中 軟體在撰寫時假如有利用到多核心的優勢，有時 會被稱為多執行緒應用軟體 提昇效能的另一種方法是將多台機器的運算資源 團結在一起形成叢集架構 電腦使用多個處理器，這個功能稱作平行處理， 有時也稱作對稱式多重處理或簡稱多重處理