第 3 章 記憶單元.

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1 第 3 章 記憶單元

2 學習目標 看完本章, 您應該學會以下主題： 何謂主記憶體、輔助記憶體、虛擬記憶體與記憶體階層 RAM 與 ROM 的特性與種類
磁碟機、光碟機與燒錄機的種類 硬碟機的原理、邏輯結構、連接介面, 以及各項常見規格

3 學習目標 磁碟陣列的原理與種類 光碟機與燒錄機的原理 記憶卡、隨身碟與行動硬碟的特性與種類

4 3-1 記憶單元的種類與功用 記憶單元是電腦存放程式與資料之處, 其中可分為兩大類：主記憶體與輔助記憶體。

5 主記憶體與輔助記憶體 主記憶體可分為 RAM (Random Access Memory, 隨機存取記憶體) 與 ROM (Read Only Memory, 唯讀記憶體) 兩種, 而輔助記憶體的種類則相當多元, 目前常見的有磁碟機、光碟機、記憶卡等, 本節稍後會詳細地說明這些分類與設備。

6 主記憶體與輔助記憶體

7 主記憶體與輔助記憶體 主記憶體可以說是 CPU 的工作平台, 所有程式與資料都必須先載入主記憶體的 RAM 中, CPU 才能進行運算與處理。 不過 RAM 必須依靠電力才能維持資料, 關機之後所有資料便會消失, 所以 RAM 中需保存的資料便必須傳送到輔助記憶體, 才能儲存資料；而下次開機後, 如果 CPU 需要某些資料時, 便會從輔助記憶體尋找資料, 然後再載入 RAM 讓 CPU 進行處理。

8 主記憶體與輔助記憶體 所以主記憶體可以比喻為大腦中的記憶功能, 而輔助記憶體則是筆記本, 當我們思考事情時, 會將所有資料放在腦中思索, 想出結果後為了怕忘記, 便將其記錄在筆記本中, 下次需要重新思考時, 只要翻開筆記本閱讀上次的記錄即可。 主記憶體的速度遠快於輔助記憶體, 但是單位容量的價格較高, 所以一般情形下, 每部電腦的主記憶體容量會遠小於輔助記憶體。

9 虛擬記憶體－ 將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術
隨著時代的進步, 人們用電腦處理的事情越來越多, 程式的複雜度與需求的資料量也越來越大, 所以不論安裝了多少主記憶體, 都有可能發生不夠用的情形。難道主記憶體不夠時, 只能放棄執行程式嗎？ 主記憶體不夠時, 治本的方法應該是再多買一點記憶體來裝, 不過難免總會有臨時需要多一點記憶體空間的時候。為了解決這個問題, 便出現了虛擬記憶體 (Virtual Memory) 技術。

10 虛擬記憶體－ 將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術
現代多數的作業系統如 Windows、Linux、Mac OS 等都具備虛擬記憶體的功能, 此功能可以將輔助記憶體 (如硬碟) 的部分空間拿來模擬成主記憶體, 這個模擬的空間便稱為虛擬記憶體。 作業系統會自動將目前實體主記憶體中暫時不用的資料先搬到虛擬記憶體, 挪出的實體主記憶體空間便可以拿來放其他資料。

11 虛擬記憶體－ 將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術
如果被放入虛擬記憶體的資料需要使用時, 作業系統會再把其他暫時用不到的資料搬到虛擬記憶體, 然後將需要的資料搬回實體主記憶體。 上述的所有動作全部都是由作業系統進行處理, 應用程式可不需理會實體記憶體是否不足, 也可不必管自己的資料有沒有暫時被放入虛擬記憶體中, 所以虛擬記憶體對於應用程式而言, 就會像是真的實體記憶體一樣。

12 虛擬記憶體－ 將輔助記憶體模擬成主記憶體的技術
前面曾經提到, 輔助記憶體的速度遠低於主記憶體, 因此雖然虛擬記憶體可以增加程式使用記憶體的彈性, 但是一旦系統大量地使用虛擬記憶體時, 便會降低整體的執行效率。 所以安裝足夠的實體記憶體, 讓系統儘量不要動用虛擬記憶體, 是提升效率的方法之一。

13 記憶體階層 在 2-2 節介紹過暫存器與快取記憶體, 也具備存放的資料功能, 與前述的主記憶體、輔助記憶體相較, 可用下方階層圖來表示其差異性：

14 記憶體階層 上圖的階層關係被稱為記憶體階層 (Memory Hierarchy) , 越上層速度越快, 但成本較高, 越下層則成本越低, 所以容量越大。所以一般電腦可能會具備總數約數百 bytes 的暫存器、2MB 快取記憶體、2GB主記憶體, 以及 500 GB 的硬碟 (輔助記憶體) , 至於存取速度則是暫存器遠快於硬碟。

15 隨堂練習 1. 請觀察目前電腦的實體記憶體與虛擬記憶體的總量與使用量。

16 3-2 RAM 與 ROM 前文說過, 主記憶體主要可分為 RAM與 ROM, 本節將分別介紹各種不同的主記憶體。

17 RAM RAM 是隨機存取記憶體 (Random Access Memory) 的縮寫, 可以隨機讀寫資料, 是電腦中用來暫時儲存資料的元件。RAM 依照電子特性的不同, 又可分為DRAM (Dynamic RAM, 動態隨機存取記憶體) 與 SRAM (Static RAM, 靜態隨機存取記憶體) 。

18 RAM DRAM：DRAM 中的資料只能保存 2-4 毫秒 (ms, 10-3 秒) , 如果超過時間沒有對 DRAM 充電, 資料便會消失。 常見的 DRAM 有 SDRAM (Synchronous Dynamic RAM, 同步動態隨機存取記憶體) 、RDRAM (Rambus Dynamic RAM, Rambus 動態隨機存取記憶體) 、DDR (Double Date Rate, 雙倍資料速度) SDRAM。 DDR2 SDRAM 及 DDR3 SDRAM 是目前的主流 DRAM, 稍後會另外說明。

19 RAM

20 RAM SRAM：SRAM 使用特殊的電子元件製成, 所以不需要持續反覆充電, 便可以利用其電路的特性保存資料, 但是一旦電力消失後, 資料一樣會消失。SRAM 的速度比 DRAM 快, 但是價格也比 DRAM 昂貴。 因為 RAM 具有資料會消失的特性, 所以又稱為揮發性記憶體 (Volatile Memory) 。

21 RAM 目前個人電腦大多使用 DRAM 做為主記憶體, DRAM 也因此逐漸變成了記憶體的代名詞。所以當聽到有人說：『我要去買記憶體』 時, 便是意指DRAM, 而不會是 SRAM 或其他種類的記憶體。

22 DDR/DDR2/DDR3 SDRAM DRAM 的發展歷經了數個世代演變, DDR SDRAM 是從前一代 SDRAM 改良而產生的, 從 DDR (Double Data Rate, 雙倍資料速度) 這個名字, 便可以知道其可以在相同的時間下, 存取雙倍的資料量。

23 DDR/DDR2/DDR3 SDRAM

24 DDR/DDR2/DDR3 SDRAM DDR2 的傳輸速度是 DDR 的 2 倍, 2007 年 6 月發表的 DDR3 規格, 其傳輸速度則是 DDR2 的 2 倍。亦即在相同的時間下, 若 SDRAM 可以存取 n 個位元的資料量, DDR/DDR2/ DDR3 則分別可存取 2n/4n/8n 個位元的資料量。並且新規格相較於舊的規格, 所需的電壓負荷都較小。

25 DDR/DDR2/DDR3 SDRAM 目前市場上仍是 DDR2 和DDR3 共存, 但 Intel、AMD 的最新處理器只支援 DDR3, 未來 DDR2 將慢慢淘汰, DDR3 應會逐漸普及成為主流。

26 ROM ROM 是唯讀記憶體 (Read Only Memory) 的縮寫, 顧名思義, ROM 在製造過程中即已將資料存於其中, 出廠後只具備讀取資料的功能, 不像 RAM 一樣可以隨意讀寫資料；但是 RAM 必須依靠電力保存資料, 而 ROM 裡面的資料則可永久保存, 不受電源影響。

27 ROM 相對於 RAM 被稱為揮發性記憶體, 資料不會消失的 ROM 又稱非揮發性記憶體 (Nonvolatile Memory) 。因為 ROM 可永久保存資料的特性, 所以大多被用來儲存系統程式或開機程式。 為了改良傳統 ROM 無法寫入資料的缺點, 所以後來又發展出其他產品如下：

28 ROM PROM (Programmable ROM) ：可使用特殊的裝置寫入資料, 但是只能寫入一次, 之後就無法更改了。
EPROM (Erasable Programmable ROM) ：與 PROM 一樣可以使用特定的設備寫入, 而且能夠以紫外線刪除資料, 即可重新寫入新資料。

29 ROM EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) ：EEPROM 是由 EPROM 改良而來, 可使用電壓來抹除與寫入資料, 所以能夠在電腦內直接重寫, 不再需要特定的設備才能寫入資料, 使用上較 EPROM 方便。

30 ROM Flash Memory (快閃記憶體) ：為英特爾 (Intel) 公司所發明, 與 EEPROM 一樣可在電腦內使用電壓刪除與寫入資料。快閃記憶體每單位面積的位元密度較 EEPROM 高, 成本較 EEPROM 低, 因此逐漸取代 EEPROM 的地位。 快閃記憶體除了用於電腦內部元件外, 目前也常做為行動隨身裝置 (如 PDA) 的儲存設備, 或是用來製作記憶卡、隨身碟等。

31 RAM 與 ROM 的比較 下表列出 RAM 與 ROM 的特性, 以及兩者的產品項目與相關特性：

32 隨堂練習 1. 請上網查詢當年 RDRAM 與 DDR SDRAM 互相競爭, 最後 DDR SDRAM 勝出的歷史, 並分析其中的勝負因素。

33 3-3 硬碟機 磁碟機是目前最主要的輔助記憶體, 常見的磁碟機有軟碟機 (FDD, Floppy Disk Drive) 與硬碟機 (HDD, Hard Disk Drive) 兩種, 本節將先介紹硬碟機, 至於軟碟機則留待下一節說明。

34 3-3-1 硬碟機的種類 硬碟機具備容量超大、存取速度快、單位成本低廉的優點, 所以硬碟機是目前電腦最重要的輔助記憶體, 不論是文件檔、資料檔或是軟體程式檔, 大多都會儲存在硬碟機中。 一般硬碟分為 3.5 吋與 2.5 吋兩種, 這個尺寸指的是硬碟內部圓形碟片的直徑大小：

35 3-3-1 硬碟機的種類

36 3-3-1 硬碟機的種類 2.5 吋因為具備體積小的優點, 所以常用於筆記型電腦或是行動硬碟等, 而 3.5 吋硬碟機大多用於桌上型的電腦及伺服器上。通常 3.5 吋硬碟機比 2.5 吋便宜, 可選用的容量比較大。

37 3-3-2 硬碟機的讀寫原理 硬碟機內部是多個磁盤利用轉軸串起組成, 資料就放在磁盤上, 磁盤每一面都會有讀寫頭存取資料, 下面是硬碟機讀寫的簡要示意圖：

38 3-3-2 硬碟機的讀寫原理

39 硬碟機的結構 硬碟機使用以下的結構儲存資料：
面 (Side) 與讀寫頭 (Head) ：每個磁盤都會有兩個面, 一般兩面都會存放資料, 每面各有一個讀寫頭。面 (讀寫頭) 的編號從 0 開始, 最上層磁盤朝上的一面為第 0 面 (讀寫頭0) , 朝下者為第 1 面 (讀寫頭1) , 第二層磁盤朝上為第 2 面 (讀寫頭2) , 其餘依此類推。

40 硬碟機的結構 磁軌 (Track )：在磁盤上由外往內, 可以劃分為很多不同直徑的同心圓, 每個同心圓就是一個磁軌。最外圈的編號為 0, 由外往內依次為 1、2...。

41 硬碟機的結構 磁區 (Sector)：每一個磁軌會再劃分固定大小的區段, 稱為磁區, 為資料存取的單位, 每個磁區為 512 Bytes 。與其他結構不同, 磁區的編號由 1 開始。

42 硬碟機的結構 磁柱 (Cylinder)：目前硬碟內部通常具備多個磁盤與讀寫頭, 各讀寫頭並非單獨行動各自移動到不同位置存取資料, 而是如下圖一起移動到同一個位置上：

43 硬碟機的結構 所以讀寫頭會同時存取不同磁盤上相同位置的磁軌, 我們可以將這些磁軌視為一體, 想像成一個組合而成的空心圓柱體, 這個圓柱體稱為磁柱。磁柱的編號方式與磁軌相同, 從 0 開始由外而內依序編號。

44 硬碟機的結構

45 硬碟的定址模式 為了在眾多的磁區中讀寫資料, 硬碟必須有一套定址方式, 才能找到資料所在的位址。早期硬碟使用 CHS (Cylinder-Head-Sector) 模式, 也就是使用 "磁柱編號 + 讀寫頭編號 + 磁區編號" 來定址。

46 硬碟的定址模式

47 硬碟的定址模式 硬碟的第 0 磁柱, 第 0 讀寫頭, 第 1 磁區稱為 MBR (Master Boot Record) 磁區, 被用來儲存開機戴入程式與分割表 (Partition Table) 等重要資料, 所以一旦 MBR 發生損壞, 整個硬碟便再也無法使用。

48 硬碟的定址模式 磁柱、讀寫頭與磁區的數目也可以用來估算硬碟的容量大小, 例如規格標示CHS 63/16/665, 便表示此硬碟有 63 個磁柱與 16 個讀寫頭, 每個磁柱有 655 個磁區, 所以總共有 63 × 16 × 665 個磁區, 因為每個磁區大小為 512 Bytes, 故可如下計算其總容量大小：

49 硬碟的定址模式 不過因為硬碟 IDE 介面 (隨後會說明) 與個人電腦 BIOS (Basic Input Output System, 基本輸入輸出系統) 規格上不同, 所以使用 CHS 定址時, IDE 硬碟最大容量只能達到 528 MB：

50 硬碟的定址模式 隨著硬碟製作技術逐漸進步, 硬碟的容量越來越大, 對於個人電腦常用的IDE 介面硬碟而言, CHS 模式已經不敷使用了, 所以後來 IDE 硬碟逐漸改用 SCSI 硬碟 (隨後會說明) 所使用的 LBA (Logical Block Addressing) 模式。 與 CHS 使用實體位置定址的方式不同, LBA 使用邏輯的方式來為磁區設定位址。下表為 LBA 的定址方式 (假設每個磁柱有 100 個磁區)：

51 硬碟的定址模式

52 硬碟的定址模式 採用 LBA 模式的硬碟, 為了相容性, 也可以視情況提供一個轉換過的邏輯 CHS 位址給系統, 所以當您看到 CHS 中的 Head 值為 16 時, 並不一定表示真的有 16 個讀寫頭與 8 個磁盤。

53 3-3-3 硬碟機的規格 硬碟機的規格相當多, 我們將說明其中較為常見與常用的規格。下表是 Seagate 1 TB 硬碟的部分產品規格 (取自 Seagate 網站), 我們會於稍後說明這些規格的意義：

54 3-3-3 硬碟機的規格

55 硬碟機的容量單位 硬碟機計算容量時採用公制, 亦即 1k=1000, 與一般採用的 1024 不同：

56 硬碟機的容量單位 因為計算單位的不同, 而且格式化後還要扣除分割表、檔案系統. . .等內部資訊所佔用的空間, 所以一個標示 80 GB 的硬碟機, 在作業系統中看到的容量將小於 80 GB。 關於容量計算方式不同的原因, 參考 1-6 頁。

57 硬碟機的容量單位

58 硬碟機的連接介面 目前個人電腦連接硬碟的常見介面為 SATA (Serial ATA) 與 SCSI (Small Computer System Interface), 在一些舊電腦上則仍看到IDE (Integrated Drive Electronics 或 Intelligent Device Electronics) 介面。

59 硬碟機的連接介面

60 硬碟機的連接介面 IDE 介面 IDE 是個人電腦連接儲存裝置 (如硬碟機、光碟機) 的標準界面, 因為沿革多代, 所以名稱與規格眾多, 在規格表上會看到 E-IDE、ATA、UDMA、Ultra ATA 等名稱, 除了速度可能不同以外, 其實都是屬於同一個 IDE 家族。 其實 IDE 比較正確的名稱應該是 ATA (AT Attachment), 不過一般人都習慣稱其為IDE 介面。

61 硬碟機的連接介面 SATA 介面 SATA 則是從傳統 IDE 介面改良而來的新一代介面, 具備傳輸速率快、低電壓(省電)、可支援熱拔插等優點, 而且其排線較為細長, 整理起來更為方便, 目前已經逐漸取代傳統 IDE 介面, 成為硬碟機的主流介面。

62 硬碟機的連接介面

63 硬碟機的連接介面 近年來由於外接設備普及, 且使用者也希望外接硬碟能具有像 SATA 一樣的存取速率, 所以也有專用於外接的 eSATA (External SATA) 規格。

64 硬碟機的連接介面 SCSI 與 SAS 介面 SCSI 介面具有獨立運作的控制晶片, 讀寫資料時可獨立處理不需耗用 CPU 資源, 所以在多工環境下, 特別是硬碟讀寫頻繁的伺服器上面, SCSI 介面的硬碟機通常會有比較優異的效能表現。 因此是早期高階硬碟機與電腦主機所使用的介面, 通常主機板並未內建 SCSI 界面, 必須另外購買 SCSI 控制卡, 而且 SCSI 硬碟機價格也較高。

65 硬碟機的連接介面

66 硬碟機的連接介面 和 ATA 走向 Serial 傳輸的 SATA 一樣, SCSI 近年來也轉向 Serial 傳輸, 也就是SAS (Serial attached SCSI)。SAS 接頭的外型規格和 SATA 接頭相同, 因此 SATA 硬碟可連接至 SAS 介面 (但將 SAS 硬碟接到 SATA 控制器則會無法運作)。

67 硬碟機的轉速 轉速指的是硬碟馬達旋轉的速度, 其單位為 RPM (Rotations Per Minute, 轉/分鐘)。轉速越高, 硬碟的讀寫速率越快, 效能越好, 但價格相對較高, 而且如果機械結構設計得不夠好時, 還會造成運轉時高溫、高噪音等缺點。 目前 3.5 吋硬碟機大多具備 7,200 轉的速度, 至於 10,000 轉以上則僅在高階產品中才能見到。2.5 吋硬碟則以 4,200 與 5,400 轉為主。

68 硬碟機的緩衝區 緩衝區 (Buffer, 或稱快取, cache) 是硬碟電路中的一塊記憶體區域, 介於硬碟與傳輸通道間。一般來說, 硬碟介面傳輸資料的速度比硬碟本身讀取資料的速度快, 因此在中間安排一塊緩衝區, 讓速度慢的硬碟持續將資料送到緩衝區內。 而速度快的介面則每隔一段時間將緩衝區內的資料一次取走, 其他時間則可用來服務其他設備, 藉此提升整體的效能。

69 硬碟機的緩衝區 緩衝區的原理可以用下圖來說明：

70 硬碟機的緩衝區

71 硬碟機的緩衝區 當緩衝區 (水塔) 越大, 所儲存的資料愈多, 便能有效提升資料傳輸效率。不過由於成本考量, 目前的硬碟緩衝區容量多為 8 或16 MB, 少數高階產品則可達 64 MB 。

72 S.M.A.R.T. 技術 S.M.A.R.T. 的全名為 Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (自我監測分析報告技術), 目的在於提供硬碟資料可靠性的一種預警系統。 此系統會依據目前硬碟機的讀寫頭高度、資料輸出效能、失誤率、啟動時間、重試次數...等數據, 計算硬碟機目前的健康狀況, 以便在硬碟開始出現不穩定時提出警告, 讓使用者能夠盡快備份資料, 並且將系統轉移到新硬碟。

73 S.M.A.R.T. 技術

74 S.M.A.R.T. 技術 S.M.A.R.T. 技術是利用特殊演算法來預測可能發生的故障, 就像路邊鐵口直斷的算命攤一樣, 算出來的不一定準確。 所以 S.M.A.R.T. 發出警告時, 硬碟不一定馬上就會故障 (當然還是應該寧可信其有, 盡快進行備份)；而反過來想, S.M.A.R.T. 沒有發出警告時不代表硬碟一定沒有問題, 勤做備份仍然是一項不可忽略的工作。

75 3-3-4 磁碟陣列 磁碟陣列 (RAID, Redundant Array of Independent Disks) 是由美國加州大學柏克萊分校於 1987 年所提出的, 其概念是將多個硬碟機組成一個邏輯上的虛擬硬碟。使用磁碟陣列時會覺得跟單一硬碟沒什麼不同, 但實際上, 其資料會分別儲存在不同的硬碟上。

76 3-3-4 磁碟陣列 磁碟陣列誕生的主要目的在於 『效率』 與 『安全』, 依照類型的不同, 有些磁碟陣列可以增進讀取或寫入的速度, 而有些磁碟陣列則提供了容錯的能力, 當其中一顆硬碟故障時, 整個磁碟陣列仍然可以正常運作。 下面分別介紹目前常見的磁碟陣列種類與原理：

77 3-3-4 磁碟陣列 RAID 0：RAID 0 最少要使用 2 個硬碟, 其儲存資料的方式是將資料分成大小相同的區塊, 然後分別儲存到不同的硬碟中：

78 3-3-4 磁碟陣列 因為 RAID 0 是將資料分成多個區塊再同時寫入硬碟, 讀取時也可以同時由各硬碟讀出區塊, 所以具備非常優異的效能。如果是 N 台硬碟組成的RAID 0 磁碟陣列, 理論上讀寫的效率可達 N 倍！ 但是 RAID 0 完全不具備容錯的能力, 因為資料的區塊平均分佈在各硬碟中, 只要其中一個硬碟故障, 就會導致磁碟陣列的全部資料都無法使用。

79 3-3-4 磁碟陣列 RAID 1：RAID 1 最少要使用 2 個硬碟, 其儲存資料的方式是將同一份資料同時儲存到每一個硬碟, 因此每一個硬碟中所儲存的資料都是一樣的：

80 3-3-4 磁碟陣列 RAID 1 是最『浪費』空間的磁碟陣列, 若使用 N 個 S 大小的硬碟組成 RAID 1, 此磁碟陣列的容量永遠都是 S。 不過這個缺點換來的是最高的安全性, 因為資料同時存在每個硬碟中, 等於有 N 份相同的資料, 只要磁碟陣列有一個硬碟沒有故障, 資料都可以正常讀取。

81 3-3-4 磁碟陣列 RAID 5：前面介紹的 RAID 0 不浪費空間, 效能滿分表現, 但是容錯能力 0 分。而 RAID 1 則非常浪費空間, 不過容錯能力滿分。RAID 5 則是取得一個平衡點, 不會浪費太多硬碟空間, 能增進存取效率, 而且具有容錯能力。

82 3-3-4 磁碟陣列 RAID 5 最少要使用 3 個硬碟, 其儲存資料的方式與 RAID 0 類似, 會將資料分成大小相同的區塊分別儲存到不同的硬碟中, 但不同的是, RAID 5 會根據資料計算出檢查碼, 然後保留硬碟的一部份空間儲存這些檢查碼, 而且檢查碼會平均分散於各硬碟：

83 3-3-4 磁碟陣列

84 3-3-4 磁碟陣列 RAID 5 資料的區塊分散於各硬碟中, 若是由 N 個 S 大小硬碟組成, 扣除檢查碼的空間, RAID 5 磁碟陣列的容量為 (N-1) × S, 理論上可達到 N-1 倍存取速度。 當其中一個硬碟故障時, 仍然可以藉由其他硬碟中的檢查碼, 重新計算出正確的資料, 但是如果有 2 個以上的硬碟毀損, 整個磁碟陣列的資料仍將無法使用。

85 3-3-4 磁碟陣列 RAID 6：RAID 6 是比 RAID 5 更進一步, 它會根據資料算出 2 組不同的檢查碼, 並分別存於兩個不同硬碟上, 即使有兩個硬碟壞掉, 也可利用多出一組的檢查碼, 算出原有的資料, 讓系統仍能運作。 因此 RAID 6 的構成至少需用到 4 個硬碟, 以 N 個 S 大小的硬碟為例, 其資料容量即為 (N-2) × S。

86 3-3-4 磁碟陣列 另外還有一種稱為 RAID 0+1 的磁碟陣列, 使用 4 個以上的雙數個硬碟, 各硬碟兩兩一組, 組內兩個硬碟使用 RAID 0, 而組與組之間使用 RAID 1。因為是由 RAID 0 與 RAID 1 兩種概念組合而成的, 所以也同時具備兩種的優缺點。

87 3-3-5 行動硬碟(外接式硬碟) 顧名思義, 『行動硬碟』 是一台可隨身攜帶、輕巧方便、帶著就走的硬碟機；它就如同一部超大容量的隨身碟, 適合需要經常攜帶大量資料 (如影像、圖片、動畫) 的使用者。

88 3-3-5 行動硬碟(外接式硬碟) 行動硬碟是由一個外接式硬碟盒, 加上一顆吋硬碟所組合而成, 多數產品採用 2.5 吋硬碟, 體積小, 不論是放在公事包、行李袋、文件包裡, 都可以順利容納。 而使用 3.5 吋硬碟的產品, 則因體積較大、需外接電源, 較不適合於隨身攜帶使用, 但可提供較大的容量, 所以成為個人電腦外接使用, 做為備份及擴充儲存空間的方案之一。行動或外接硬碟使用的介面目前多數仍為USB 2.0, 部份產品則使用 eSATA 或 USB 3.0 。

89 3-3-5 行動硬碟(外接式硬碟)

90 3-3-5 行動硬碟(外接式硬碟) 比起其他如隨身碟等儲存媒體 (參見 3-6 節), 行動硬碟具有單位儲存成本便宜的優勢, 對於需要攜帶大量資料的使用者來說, 可說是相當划算。

91 3-3-6 SSD 硬碟 SSD 硬碟 (Solid State Disk, 固態硬碟) 雖名為 "硬碟", 但與本節所介紹的以碟片儲存、透過讀寫頭存取資料的傳統機械式硬碟不同, SSD 硬碟是使用快閃記憶體來儲存資料。 由於無需馬達、讀寫頭等機械裝備, 且採用隨機存取的方式, SSD 硬碟與傳統硬碟相較, 具有體積小、無噪音、存取速度快、省電、防震等優點。

92 3-3-6 SSD 硬碟

93 3-3-6 SSD 硬碟 雖然 SSD 硬碟相較之下有許多優點, 但因成本高昂, 以往大多應用在航太、軍事及工業用途。
近來隨著快閃記憶體的成本逐漸下降, 以及越來越多廠商 (如 Intel、三星Samsung) 加入開發, 其售價雖仍比傳統硬碟高出許多, 但已越來越貼近一般人可接受的範圍, 例如一些標榜性能的電腦產品就會配備 SSD 硬碟。

94 隨堂練習 1. 請觀察作業系統顯示的硬碟機容量大小, 並推算此硬碟機在規格上的容量大小為何？
2. 如果硬碟的 CHS 值為 39421/16/255, 請計算此硬碟的容量大小。 3. 請由作業系統所顯示的資訊, 找出目前硬碟機所使用的連接介面。 4. 如果使用 N 個 S 大小的硬碟組成 RAID 0+1 磁碟陣列, 請計算磁碟陣列的容量大小、效能可達幾倍、最多可容許幾個硬碟故障。

95 3-4 軟碟機 軟碟機使用磁碟片儲存資料, 因為磁碟片可以抽換, 而且攜帶方便, 所以軟碟機曾經是資料交換的主要媒介。
軟碟機可分為 5.25 吋及 3.5 吋兩種, 不過目前隨身碟與行動硬碟的日漸普及, 與之相比, 軟碟機體積較大, 容量較低, 速度也比較慢, 新電腦大都已經不再配備軟碟機了。

96 3-4 軟碟機

97 3-5 光碟機與燒錄機 光碟片是目前儲存資料、影音, 並提供內容交換的重要媒介, 而光碟機是讀取光碟片的裝置, 燒錄機則是製作光碟片的設備。

98 3-5-1 光碟機與燒錄機的種類 光碟機與燒錄機依照其使用的光碟片不同, 主要可以分為三大類：
CD：CD 為 Compact Disc 的縮寫, 1980 年時新力 (SONY) 及飛利浦 (Philips) 兩家公司共同研發產生, 最初主要用於記錄音訊資料, 後來也逐漸用於儲存資料及記錄影片。CD 可儲存約 650 ~ 700 MB 的資料, 或者約可記錄 74 分鐘的影音訊號。

99 3-5-1 光碟機與燒錄機的種類 DVD：DVD 為 Digital Versatile Disc 縮寫。由於 CD 只能記錄 74 分鐘的影音訊號, 放不下一般約 2 個小時的電影, 而且隨著技術的進步, 大尺寸螢幕與高品質的喇叭也越來越普及, CD 的畫質與音質已經無法滿足這些需求。 所以 1994 年美國好萊塢七大電影公司共同提出新型光碟的需求, 經過了眾多科技廠商的研究與整合, 最後完成了 DVD 光碟的規格。DVD 可儲存約 4.7 ~ 17 GB 的資料, 或者約可記錄 133 分鐘的高品質影音訊號。

100 3-5-1 光碟機與燒錄機的種類

101 3-5-1 光碟機與燒錄機的種類 BD：Blu-ray Disc 的縮寫, 是由 SONY 主導開發的規格。採用 405nm 的藍光雷射 ( DVD 使用 650nm 紅光雷射、CD 使用 780nm 紅外線雷射), 可更精確控制讀寫範圍, 提供單層 25GB、雙層 50GB 的容量, 可用以存放 4 小時的高畫質電影。

102 3-5-1 光碟機與燒錄機的種類

103 3-5-1 光碟機與燒錄機的種類 光碟機與燒錄機目前常見的種類如下 (各種類名稱中的 R 代表 Read, W 代表 Write)：

104 3-5-1 光碟機與燒錄機的種類

105 3-5-2 光碟機與燒錄機的原理 本節將分別說明光碟機與燒錄機的原理。

106 光碟機的原理 光碟機可用來讀取儲存在光碟片上的各種資料, 但是只能讀取, 沒有寫入資料的能力。光碟機除了可讀取一般的資料光碟之外, 還可以讀取影音光碟(Video CD)、音樂 CD 等不同種類的光碟片。光碟機讀取資料的原理如下圖所示：

107 光碟機的原理

108 燒錄機的原理 燒錄機的外觀與光碟機一模一樣, 除了可以像光碟機一樣讀取光碟片, 還具備了將資料寫入光碟片的能力。不過一般常見的普通光碟片並無法支援燒錄機的寫入功能, 必須用可燒錄光碟片, 才能讓燒錄機寫入資料。可燒錄光碟片依照規格的不同, 分為 CD-R 、DVD-R 、DVD+R 等種類。 燒錄機寫入資料的原理如下圖所示：

109 燒錄機的原理

110 燒錄機的原理 因為染料層發生化學變化後便無法還原, 所以一般的可燒錄光碟片只能寫入一次, 之後就只能像普通光碟片一樣僅用於讀取資料。
不過還有一種可重複讀寫的光碟片, 將染料層的部分改為相變化型合金, 這種合金具有結晶與非結晶的型態, 燒錄機可以利用不同功率的雷射光改變其型態, 藉以記錄二進位的資料。

111 燒錄機的原理 因為相變化是可還原的物理變化, 所以此類光碟片寫入後仍可恢復為原始狀態, 故可重複讀寫。可重複讀寫的光碟片依照規格不同, 分為 CD-RW、DVD-RAM、DVD-RW 、DVD+RW 等種類。 相變化最常見的例子就是水了！水有三態：固態、液態、氣態, 但不論如何改變型態, 其分子結構永遠都不會改變。

112 隨堂練習 1.請分享使用燒錄機備份光碟時遇到過哪些困難, 並討論為什麼有些光碟片無法複製。

113 3-5-3 藍光光碟 或許您會認為, DVD 具備的大容量已經足以應付資料儲存與備份的使用, 其實不然！目前廠商們為了讓影音品質再提升, 莫不致力於更高畫質的影像顯示、更有臨場感的音效呈現, 所以就必須耗費更大的儲存空間, 為了應付將來龐大的儲存容量需求, 新世代的光碟便在眾人期待中開始發展。

114 3-5-3 藍光光碟 目前 CD/DVD 所採用的雷射為波長 780 nm (奈米, 10-9 公尺) 與 650 nm 的紅色可見光, 故稱為紅光雷射, 而藍光光碟則改用波長更短、頻率更高的藍光雷射。 藍光雷射產生的焦點面積只有紅光雷射的 19%, 在同樣大小的光碟面積上可以更密集地讀寫資料, 所以能夠有效地提升光碟的容量。

115 3-5-3 藍光光碟 Blu-ray Disc ROM (BD-ROM , 藍光光碟)是由 SONY 主導, 並在 Bluray Disc Association (BDA, 藍光碟片協會) 組織下制定規格。 其採用 405 nm 的藍光雷射, 在僅 0.1 mm (毫米, 10-3 公尺) 厚度的基板上記錄資料, 單層容量有 25 GB、雙層則更高達 50 GB, 目前已應用在可錄式高畫質影片 (Recording HD Video) 與 HDTV 等家電影音上。

116 3-5-3 藍光光碟

117 3-5-3 藍光光碟 BDA 於 2010 年 4 月宣布採多層設計的 BDXL 新規格式, 使碟片可提供多達 100GB 或 128GB 的容量。由於讀寫頭需使用較高的功率才能讀寫多層的 BDXL 光碟, 所以舊的 BD 光碟機無法支援讀取 BDXL 光碟。

118 藍光光碟規格的競爭 除了 SONY 主導的 Blu-Ray Disc ROM 規格, 藍光光碟在發展過程中還有一個由 Toshiba 及 NEC 公司發起的 HD-DVD (High-Definition DVD) 規格。 此規格原名為 AOD (Advanced Optical Disc, 先進光碟規格), 同樣採用 405mm 的藍光, 單層容量可達 15GB。

119 藍光光碟規格的競爭 HDDVD 的起步較晚, 發展過程中也曾取得不少支持, 但最後因為 Blu-Ray Disc 獲得較多 3C 與電影公司的支持, 支援 Blu-Ray Disc 的軟體也較多, 故 Toshiba 於 2008 年 2 月宣佈停產 HD-DVD 產品。至此, 藍光光碟兩大陣營的競爭正式劃下句點。

120 3-6 記憶卡與隨身碟 本節將為您介紹記憶卡、隨身碟與行動硬碟等其他各式儲存裝置。

121 記憶卡 記憶卡利用 3-6 頁所介紹的快閃記憶體 (Flash Memory) 所製作而成的, 具備體積小、重量輕、攜帶方便的優點, 是多項電子裝置, 如數位相機、PDA、手機等所使用的儲存配備。而且隨著技術的進步, 記憶卡的容量也逐漸推升到 32 GB 以上。 記憶卡的規格有不同的種類, 以下是常見的記憶卡：

122 記憶卡

123 記憶卡 SD 系列的記憶卡可依外觀尺寸分為 SD/miniSD/microSD、SDHC/miniSDHC/microSDHC、另外 SDXC (Secure Digital Extended Capacity) 規格則是支援 2TB 的容量, 同樣可依尺寸分為 SDXC/miniSDXC/microSDXC。

124 記憶卡的讀取方式 將記憶卡內的資料輸入個人電腦的方式主要有兩種：
透過電子裝置：最直接的方式就是透過電子裝置 (例如數位相機) 的傳輸介面, 將資料輸入電腦。

125 記憶卡的讀取方式

126 記憶卡的讀取方式 使用讀卡機：顧名思義, 讀卡機便是專門用來讀取記憶卡的裝置。一般讀卡機可分為單槽或是多合一 2 種。單槽讀卡機只能存取特定記憶卡, 特點在於體積小、方便攜帶, 甚至可整合到其他周邊設備 (如滑鼠)；而多合一讀卡機則有 2 in 1、6 in 1...等多種, 可以同時存取多種記憶卡。

127 記憶卡的讀取方式

128 隨身碟 所謂的隨身碟, 是指可隨身攜帶的磁碟機, 與記憶卡相同, 其內部也是使用快閃記憶體儲存資料。隨身碟具備了質量輕、體積小的特性 (大多約 20 公克), 甚至還可以掛在胸前, 輕鬆帶著走。 由於隨身碟使用 USB 連接埠與電腦連接, 無論是桌上型個人電腦或筆記型電腦都有支援。因 USB 連接埠具備熱插拔與隨插即用的特性, 使用上非常方便, 所以目前已經逐漸取代了軟碟機的地位, 成為資料交換的主要媒介。

129 隨身碟

130 隨身碟 目前市面上的隨身碟產品非常多, 而名稱也紛亂雜陳, 例如快閃碟、拇指碟、大姆哥、掌中碟...等。不同廠牌的隨身碟造型不同, 體積也略有差別, 部分甚至附加了特殊的功能如密碼保護、資料加密、可開機等。 現今多數隨身碟仍採用 USB 2.0 規格, 不過隨著 USB 3.0 面世, 市面也已出現支援 USB 3.0 的高速隨身碟產品。一般而言, 支援 USB 3.0 的隨身碟, 其資料存取速率, 會比僅支援 USB 2.0 的隨身碟, 快上許多。

131 隨堂練習 1.請說明您目前使用哪一種裝置攜帶並交換資料, 並且互相討論與分析各裝置的優缺點。

132 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
智慧卡 (Smart Card, 或 Integrated Circuit Card) 一般又稱 IC 卡或晶片卡, 是在一張提款卡大小的卡片上嵌入晶片, 晶片中包含記憶體可以儲存資料, 若是用於較複雜用途的智慧卡, 還會具備微處理器與作業系統 (Card perating System), 可以提供資料運算、儲存功能。

133 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
例如 IC 電話卡便是屬於前者, 電話卡的晶片內只儲存剩餘的金額, 供電話機讀寫, 至於晶片提款卡、健保 IC 卡、電話 SIM 便是屬於後者等 。 智慧卡是 1974 年由法國人 Roland Moreno 發明, 1977 年法國的 Honeywell Bull 公司生產出第一張智慧卡。智慧卡依照使用的方式, 分成接觸式與非接觸式。 133 133

134 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
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135 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡) 135 135

136 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
由於智慧卡具備輕巧、攜帶方便、成本低、不易損壞、安全性高不易複製等優點, 所以廣泛應用在以下各個領域： 身份識別：我們可以賦予每個人不同的識別碼, 然後將識別碼儲存於智慧卡中, 即可用來做為身份識別, 例如公司的員工證、學校的學生證, 或是大樓的門禁卡, 都可以利用智慧卡來製作。 136 136

137 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡) 137 137

138 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
醫療健保：目前台灣使用的健保 IC 卡便是智慧卡的一種應用, 健保 IC 卡可以儲存個人姓名、身分證號碼等基本資料, 以及部分必要的醫療記錄, 民眾就醫時只要攜帶健保卡, 就可以直接提供相關的資訊給醫療單位, 增加雙方的便利性。 138 138

139 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
消費金融：目前各銀行的金融卡、信用卡大多已經加上晶片, 成為智慧卡的一種。 金融卡、信用卡加上晶片後可以儲存更多資訊與記錄, 最重要的是比起傳統的磁條, 晶片具有不易複製的優點, 使得不法之徒不易製作偽卡, 提升金融交易的安全性。 139 139

140 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
交通運輸：智慧卡已經廣泛地應用於交通運輸領域, 例如台灣北部通用的悠遊卡、香港使用的八達通卡等, 使用智慧卡便不需要使用人力收票、檢票, 使用者可以快速通關, 交通單位也能精簡人力。 140 140

141 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
目前智慧卡除了應用在上述領域的單一用途外, 已有許多單位讓一張智慧卡同時應用於多種用途。例如有些公司使用悠遊卡做為員工識別卡, 上班時只要攜帶悠遊卡, 不但可以搭乘公車或捷運, 還可以直接刷悠遊卡做為上班打卡與門禁出入的工具。 141 141

142 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
另外, 有些銀行發行了金融卡、信用卡與悠遊卡多合一的卡片, 讓使用者出門只需要攜帶一張卡片, 即可搭乘交通工具與購物, 也是一卡多用途的實例。 原本台灣法規限制交通產業的公司不得涉及金融、電信等其他產業, 造成智慧卡、悠遊卡與其他產業的整合出現阻礙。 142 142

143 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡)
不過 2010 年 4 月 1 日開始放寬這個限制, 所以目前悠遊卡已經可以在超商、影城等購物或消費場所直接付費。如果智慧卡的整合推廣成功, 未來我們可能只需要攜帶一張卡片, 便能使用於交通、消費、門禁...等, 將可提升生活的便利性。 143 143

144 特別企劃 攜帶便利的智慧儲存裝置 － 智慧卡 (IC 卡、晶片卡) 144 144