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第一章 資訊時代 20世紀末、21世紀初號稱資訊時代,電腦已 經徹底改變人類的生活,對於首次接觸資 訊相關課程的讀者而言,首重要務應該是「 快速建立對電腦的認知」,在本章中,我們 將介紹電腦的用途及發展歷史,並且討論 電腦的特性以及組織成分。本章內容大多 與日常生活有很大的關係,這正是資訊時 代的最佳證明。 1
由於電腦的普及,人類取得資訊 的方式正進行徹底的轉 變,而什麼是 『 資訊 』 (information)呢?它和 『 資料 』 (data)有何差 別?簡單的說, 『 資訊 』 指的是「資料經過處理後所獲得有用的東 西」。 2
大綱 • 1. 1 電腦與生活 • 1. 2 電腦的特性 • 1. 3 電腦的演進 – 1. 3. 1 – 1. 3. 2 – 1. 3. 3 電腦的誕生 電腦的演進歷史 未來的電腦(第五代電腦) • 1. 4 電腦的種類 – 1. 4. 1 – 1. 4. 2 電腦的分類 個人電腦 • 1. 5 電腦的組成 – 1. 5. 1 – 1. 5. 2 硬體 (Hardware) 軟體 (Software) • 1. 6 資訊時代的下一步-知識時代 • 1. 7 重點回顧 • 本章習題 3
1. 1 電腦與生活 • 早在 1940年代,人類就開始發展電腦(Computer),早期電腦 的用途大多為科學計算,但隨著電腦技術的演進,至今電腦 已經和我們的生活密不可分,居住在現代化的國家中,幾乎 無時無刻與電腦有所接觸,甚至有時卻不自知。在此,我們 簡單舉幾個電腦應用的例子,您也可以試著想像一下,您離 得開電腦嗎? – 自動控制: – 交通運輸: 4
1. 1 電腦與生活 – 文件處理: 製作統計報表是 電腦常見的功能之一 – 教育訓練: 網頁版的電腦輔助教學(測驗式) 5
1. 1 電腦與生活 – 休閒娛樂: 電影剪輯 – 生產製造: 機器人本身就是一部電腦 6
1. 1 電腦與生活 – 醫療體系: – 金融交易: 電腦與醫療設備的結合 ATM其實也是一台電腦,並與銀行主機連線 7
1. 1 電腦與生活 – 行政業務: 政府採購也已經上網 – 電腦繪圖: 摩天大樓的電腦繪圖 8
1. 1 電腦與生活 – 電腦模擬: 飛行模擬器也內含電腦控制 9
1. 1 電腦與生活 – 網路與資訊交換: 透過網路蒐集資訊非常方便 樂透彩券也是電腦連線的一項應用 網路電話技術已經商品化 10
1. 2 電腦的特性 • 電腦之所以如此流行並廣泛應用,是因為電腦具備了下列優點: – 速度快: • 電腦擁有極高速的運算能力,因此取代了傳統的人 作業模式,特 別是需要繁複且長時間的 作,諸如統計資料、申報所得稅、查 詢電話號碼等等。 【 電腦速度的單位 】: 量測電腦速度的表示方法有兩種: 一種是使用電腦內部處理速度來表示,例如:微秒 (ms)、奈秒(ns)等,而時間為頻率的倒 數,因此也可以使用百萬赫茲 (MHz)、十億赫茲 (GHz)等來表示。 另外一種則是使用每秒可執行多少 作為準。例如 MIPS(Million Instructions Per Second): 每秒可執行多少百萬個指令。 MFLOPS(Million Floating Operations Per Second):每秒可執行多少百萬個浮點數運算。 TPS(Transactions Per Second): 每秒可執行多少個交易。 一般而言, MIPS通常使用在個人電腦、 作站、大型主機的運算速度量測, MFLOPS則 使用於超級電腦等需要大量浮點數運算的機器運算速度量測,至於 TPS則使用於特定 商業交易用途的電腦速度量測。 11
1. 2 電腦的特性 – 儲存能力強: • 電腦的儲存能力在最近十年間,呈現倍數成長,目前市面上販售的 個人電腦動輒可以存放數千億個位元組(數百GB),並且儲存媒體 也一再推陳出新,五花八門,例如:軟碟、磁碟、光碟、磁帶等 等。只要一片光碟片就能夠存放一部百科全書,因此想要使用電 腦儲存整個圖書館的藏書資料,也絲毫沒有容量上的困擾。 【 電腦容量的單位 】 : 電腦儲存體容量的表示方法以二進制為主(只有 0, 1兩種數字), 一個二進制位數稱為一個位元 (bit;通常使用小寫 b表示 ), 8個位元構成一個位元組 (Byte;通常使用大寫 B表示 )。 位元組是電腦容量最常被使用的表示單位,不過目前電腦容量通常非常大, 因此,我們常常會以 K Bytes(千位元組)、 Bytes (百萬位元組 )、 Bytes (十 M G 億位元組 )、 Bytes(兆位元組)來描述電腦容量,詳見 2 -1節。 T 12
1. 2 電腦的特性 【國家數位典藏計畫】: 世界各國正積極推動典藏數位化 作,例如聯合國的世界記憶計畫、 美國的美國記憶計畫等等。其優點在於利用電腦儲存能力強的特性 及網路資料查詢的方便性,使得傳統的大量資料得以永久並有效的 保存,並容易取得與查詢。 有鑒於知識經濟時代的到來,台灣也推動了數位典藏計畫,藉由將國 家重要的文物典藏數位化,建立國家數位典藏;進而促進台灣的人文 與社會、產業與經濟的發展。 有興趣的讀者,可以至 http: //www. ndap. org. tw/查詢目前國家數位典藏 的進度與成果。 13
1. 2 電腦的特性 – 可靠度高: • 電腦可以處理的運算是非常精準的,並且電腦極少出錯,尤其是硬 體上的錯誤更少。因此,比起傳統的人 作業來說,電腦確實可 靠多了。然而,電腦並不是完全不會出現錯誤,但錯誤主要是由 於人為因素所造成,就一套可信賴的軟體而言,人為因素所造成 的錯誤,大部分可歸咎於程式設計師,例如Y 2 K千禧蟲問題曾經使 得全世界的電腦重新檢測一遍,但無論如何,電腦科技不斷地在 進步當中,因此電腦仍舊是目前極可信賴的科技之一(Y 2 K問題也 已經平安度過)。 【 Y 2 K千禧蟲問題】: 歷史上最著名的電腦危機應該算是西元 2000年的 Y 2 K千禧蟲問題,嚴格來說, Y 2 K的錯誤並非全都是程式設計師的錯,之所以發生 Y 2 K問題,最主要還是因為 現實的考量。 在早期記憶體昂貴的年代,為了節省電腦記憶體空間,因此在儲存年份時,程 式設計師通常只會記錄西元末兩位,所以可以記錄 1900~1999年,但到了 2000年 時,由於舊的電腦系統仍舊使用 00來記錄西元 2000年,因此產生 1900與 2000的 混淆情況。 14
1. 2 電腦的特性 – 具備通訊能力: • 隨著網路的發達,電腦的通訊能力獲得了更極致的發揮,我們可以 透過網路來交換檔案、共享資源、收發電子郵件、搜尋資料。甚 至電腦的通訊能力也可以用做網路電話、傳真、視訊等應用,由 於所付出的代價比傳統通訊方式節省很多,因此也形成使用者的 另一項選擇。 15
1. 2 電腦的特性 • 當電腦被發明後,一些社會觀察家擔心電腦將帶來某些社會問題,著名的 控制論之父諾伯特 維納(Norbert Wiener)曾對資訊時代作出兩個預言, – 其一是 作被電腦取代,而導致大量的失業人口; – 其二是人類過度依賴電腦,而造成無法挽救的危機。 • 在今天電腦廣泛被使用後,事實證明,第一個隱憂是多慮了,因為傳統 作雖然被電腦取代,但電腦也帶來了更多新的 作機會,因此只要教育及 勞 政策的適當調整,就可以解決此一問題。 • 至於第二個預言則已經有實際案例發生,在 1998年,法國的債券市場, 因為美國的某位交易員在透過網路交易時,連續誤按了百餘次【Enter】 鍵,導致原本中等數量的債券出售變成大量拋售的假象,如此大量的賣壓, 致使當日債券市場大亂,許多人因此破產甚至自殺,所以這種現象確實值 得正視。 • 或許在這個電腦及網路普及的年代,我們不可能放棄電腦及網路而走回頭 路,因此我們應該更正視這些問題,以便適時加以防範。 16
1. 2 電腦的特性 • 以下是目前大量應用電腦技術所帶來的一些問題: – 容錯能力: • 電腦的高可靠度及運算儲存能力,使得現代人越來越依賴電腦,但電腦一 旦出現嚴重錯誤時,將造成無法彌補的嚴重後果,因此電腦的容錯能力非 常重要,例如股市交易所使用的主機存放大量交易資料、ATM提款機與各 銀行之中央主機連線,這些都是不允許出現錯誤的應用。對於這些特殊要 求,特定用途的電腦通常能夠允許某些錯誤的產生,並且立即恢復功能, 當然這也必須付出較多的成本。但當系統的容錯能力不足時,仍會造成嚴 重後果。 – 健康問題: • 由於現代人長時間使用電腦,因此容易對健康產生危害,例如視力減退, 頸部、背部、腿部僵硬,電磁與輻射危害等等。這些有的可以透過周邊設 備的改善來加以防範(例如使用LCD螢幕而非CRT螢幕),但更多的問題 其實來自於不當使用電腦所導致,例如光線不足,坐姿錯誤、缺乏運動等 等。 17
1. 2 電腦的特性 – 著作權爭議: • 電腦具備大量儲存能力,並且由於網路盛行所帶來的方便,使得電 子化文件、音樂、影片等盜版問題嚴重。在台灣,專為電腦與網 路所制定的法律尚未完備,但電腦與網路的犯罪仍受已存在的各 項法律(如著作權法)所規範。例如成大曾經爆發大學生下載 MP 3而遭起訴及Kuro點對點服務下載音樂等案例,雖然大多數的 案例,最後都以和解收場,但同時也告訴我們,電腦與網路雖然 使得資料的流通更加便利,但仍舊必須注意其合法性。 – 網路言論: • 常有人說,網路的世界如同虛擬世界,這句話部分是正確的,但並 非完全正確。使用者在網路上常匿名聊天、發表文章,但這些舉 動仍必須受法律所規範,例如不可毀謗、妨礙他人名譽等。網路 偵查犯罪看似困難,但目前警察機關已成立專職於資訊犯罪偵查 的部門,透過與國內各大網路服務供應商(如Hinet、Seed. Net) 的合作,偵查網路犯罪的困難度已經降低許多。 18
1. 2 電腦的特性 – 跨國犯罪: • 由於網際網路拉近了人們的距離,使得某些跨國性的網路犯罪層出 不窮,這主要是因為各國所規範的法律不同,由於主機可以放置 於任何一台連結上網際網路的電腦,但瀏覽者卻分布於全世界的 各個角落,因此產生如網路賭博、網路色情等犯罪問題,這些牽 扯到跨國性質的網路犯罪,確實比以往傳統犯罪難以偵查預防, 而有賴於道德規範、網路業者、軟體廠商、社會大眾的配合。 – 環保議題: • 許多電腦零件的生產過程會產生廢水及有毒物質,並且電腦的汰舊 率極高,因此或多或少都會對環保產生不良影響,在這方面國內 電腦產業的業者大多遵從環保法規,但在舊電腦的回收上,則必 須多加努力。 19
1. 2 電腦的特性 – 跨國犯罪: • 由於網際網路拉近了人們的距離,使得某些跨國性的網路犯罪層出 不窮,這主要是因為各國所規範的法律不同,由於主機可以放置 於任何一台連結上網際網路的電腦,但瀏覽者卻分布於全世界的 各個角落,因此產生如網路賭博、網路色情等犯罪問題,這些牽 扯到跨國性質的網路犯罪,確實比以往傳統犯罪難以偵查預防, 而有賴於道德規範、網路業者、軟體廠商、社會大眾的配合。 – 環保議題: • 許多電腦零件的生產過程會產生廢水及有毒物質,並且電腦的汰舊 率極高,因此或多或少都會對環保產生不良影響,在這方面國內 電腦產業的業者大多遵從環保法規,但在舊電腦的回收上,則必 須多加努力。 20
1. 2 電腦的特性 – 新時代的新問題: • 隨著時代的演變,電腦及網路的應用也不斷地擴充,因此,常常會 有一些新的問題產生,例如在 2003年 12月,台灣發生健保局網路 資料外洩的隱私權爭議問題,由於越來越多的公司、機關將網路 視為另一種交易平台,而網路程式目前並不需要經過專業人士認 證,因而使得某些具有明顯或不明顯漏洞的程式充斥在網路交易 平台中,對於一般使用者而言,或許不易發現這些漏洞所在,而 放心地透過網路平台進行各項交易,但具有深厚電腦背景的使用 者卻能夠輕易地透過漏洞查詢甚至修改他人的相關資料。這些新 的問題,必須透過人文教育、法律及電腦技術共同合作來解決。 21
1. 3 電腦的演進 • 電腦早期並非如同我們現在所看到的電腦外觀,在本節中,我們將重新回 顧電腦的誕生及歷史演變,並介紹電腦未來的發展方向。 • • 1. 3. 1 電腦的誕生 電腦(computer)又被稱為計算機(如同本書書名),雖然後來為了避免與傳統計 算器(calculator)產生混淆,而使用『電腦』一詞加以翻譯。 – 中國最早的計算 具 • 『算盤』 – 西方最早的加法器 • 1642年,法國數學家巴斯卡(Blaise Pascal)利用齒輪的機械原理,在可循轉的輪子 上面刻上十個刻度代表 0~9等十個十進位數字,當輪子旋轉一周,按照齒輪原理牽 動左邊另一個輪子也移動一個刻度,代表著進位。 – 乘法器 • 加法器發明30年後,德國人萊伯尼茲(Gottfried Leibnitz)又發明了一台乘法器,它 是使用反覆加法原理製作而成。而在 1820年,法國人湯瑪斯(C. X. Thomas) 則改 良該乘法器,變成一台可以做加減乘除四則運算的機器。 22
1. 3. 1 電腦的誕生 • 現代計算 具 – 計算 具一直沒有大多的發展,直到十九世紀中葉,英國數學家巴基貝 (Charles Babbage)建造了一台差分機(Difference engine)可以進行複雜的計算 等式差數的 作,差分器使用打孔紙卡來控制一連串的動作,這是一個突破 性的發展。 – 後來巴基貝又構思了一台『分析機』(analytical engine),該機器具有輸入單 元、輸出單元、記憶單元、算數單元、控制單元等五項單元。 – 到了十九世紀末,在美國人口調查局 作的赫羅瑞斯 (Herman Hollerith),則 使用卡片上不同的打孔位置來儲存資料,自製了一台表格運算機器,並且使 用六週完成全美人口普查作業,取代了原本人力必須花費七年所完成的 作。 值得注意的是,這台機器對於卡片、打卡機與讀卡機等輸出入方式建立了基 礎,一直被沿用至 1980年。 • 後來,赫羅瑞斯獨自創立了列表機器公司(Tabulating Machine Company), 這家公司可以說是國際商業機器公司IBM(International Business Machine Corporation)的前身。 23
1. 3. 1 電腦的誕生 • 使用繼電器的計算 具 – 除了打卡機與讀卡機之外,一種小型且利用人 操作機器的計算器(calculator) 也是在十九世紀中葉被發展出來,但當時的計算器是完全機械式的,操作不易。 – 在 1937年,美國貝爾電話實驗室(Bell Telephone Laboratories)的史提必茲 (George Stibitz)則開始使用電力操作機械作業的計算器,稱為電動計算器 (Electrodynamic calculator),此機器採用繼電器(Relay)作為機械作業的元件, 透過繼電器的電路中斷與連續來記錄資料,並於 1940年完成第一部繼電式電 腦(Relay Computer)。 – 同一時期,在 1937年,哈佛大學的愛肯教授(Professor Howard Aiken)設計了 另一台電動式計算器,經由IBM的製造,於 1944年問世,稱之為Mark I計算器。 此機器長約51英呎,寬約8英呎,重達 5噸,也是一台繼電式計算器,可以在 0. 3秒完成加法或減法運算,乘法則平均需時4秒,除法最多必須花費 16秒。 除了四則運算外,它還可以參考事先計算好的函數表,進行演算的 作。 24
1. 3. 1 電腦的誕生 • 使用真空管的計算 具 – 另一方面,在 1942年,美國愛荷華州立大學愛特納索夫教授(Professor John V. Atanasoff)及其助理貝瑞(Clifford Berry)則完成了由 45個真空管構成記憶體 的數位計算機,這部機器是世界上第一部電子數位計算機,並以他們兩個人 的名字命名為ABC(Atanasoff-Berry Computer)。隔年,英國為解出德軍密碼, 則使用電子電路方式,製作了Colosuss機器。 – 在 1946年,賓州大學電機系毛琦雷教授(Professor J. W. Mauchly) 與它的學 生愛克特(J. P. Eckert)則透過ABC電腦的基礎設計了一台可以計算大砲發射軌 道的機器,稱為電子數值積分及計算器 (Electronic Numerical Integrator And Calculator),命名為ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator),此為史上第一部全電子式數位電腦。 – 爾後1952年,賓州大學又完成了第二部機器,名稱為電子離散變數計算機, 命名為EDVAC。事實上,毛琦雷教授與愛克特,在完成ENIAC之後,便於 1947年成立了毛琦雷-愛克特公司,該公司後來被雷明頓蘭得(Remington Rand)公司收購,並於 1951年完成了世界上第一部商業用途電腦,命名為 UNIVAC(Universal Automatic Computer)。在此同時,使用真空管所設計 的機器淘汰了使用繼電器所設計的機器。並且『真空管』確立了電腦發展歷 史的確切地位,稱為第一代電腦。 25
1. 3. 2 電腦的演進歷史 • 自從真空管電腦出現後,電腦的組織元件不斷推陳出新,歷經真空管、電 晶體、積體電路、超大型機體電路等四個階段,分別被稱之為第一代、第 二代、第三代、第四代電腦。其特色如下表格: 第一代 第二代 第三代 第四代 元件 真空管 電晶體 積體電路 超大型積體電路 時期 1942~1958 1959~1963 1964~1970 1971年 ~現今 內部作業速度 10 -3 秒 10 -6秒 10 -9~-13 秒 輸入裝置 打孔卡紙 紙條裝置 打孔卡紙 按鍵 磁碟 鍵盤輸入 指標裝置 光學掃描 輸出裝置 打孔卡紙 列印輸出 螢幕影像 語音輸出 列印輸出 主記憶體材質 磁鼓 磁蕊 磁蕊 半導體晶片 輔助記憶體材 質 磁鼓 磁帶 磁帶 磁碟 26 磁碟 磁帶 磁碟 光碟 磁帶
1. 3. 2 • • 電腦的演進歷史 第一代電腦(真空管: 1942~1958年): – 從第一部商業用途電腦UNIVAC開始,真空管(vacuum tube)就被充當電腦的 核心元件,真空管如同燈泡一樣,一部電腦必須使用多達千個以上的真空管 組成,因此體積非常龐大。並且真空管的耗電量驚人且容易產生高熱,當真 空管被燒毀時,必須更換真空管,因此第一代電腦需要大量的散熱設備。 第二代電腦(電晶體: 1959~1963年 ): – 電晶體(Transitor)在 1948年被發明,從此開始,科學家就努力的想要使用耗 電量較小的電晶體來製作電腦,如此一來,將可以減少電力消耗且不需要大 量散熱設備。不過,由於當時生產同一性質的電晶體非常困難,因此當某一 個電晶體被燒毀後,就很難找到相同特性的電晶體來加以更換。 – 直到 1954年,面障電晶體(Surface barrier transistor)問世後,才突破此項困難。 麻省理 學院(MIT)研發的TX-0是第一部電晶體電腦,在此時期,尚有IBM的 7090、Burroughts的B-200系列等,這些電腦可以在百萬分之一秒內,完成數 十個加法運算。使用電晶體製作的電腦,在運算速度方面,比真空管電腦快 了許多,而且體積小、耗電量少、不需巨大的冷卻系統、不需要暖機、壽命 長、準確性高,因此淘汰了真空管電腦。 27
1. 3. 2 電腦的演進歷史 • 第三代電腦(積體電路: 1964~1970年): – 第二代的固態電晶體電路後來被單晶積體電路(Monolithic Integrated Circuitry)及混合式積體電路(Hybrid Integrated Circuitry)所取代,積體 電路(Integrated Circuitry;簡稱IC)內包含了許多的電晶體、電阻、 二極體等元件,並將之微聚濃縮在一個晶片(chip)上,每個積體電路 約比指甲還要小,使得電腦的體積得以大幅度縮小、成本更低、並提 高了可靠度。1964年出廠的IBM 360系列就是積體電路電腦,它強調 在更換新電腦時,所有舊有軟體都可以在新電腦中執行無誤,而不需 要重新設計。 28
1. 3. 2 • • 電腦的演進歷史 第四代電腦(超大型積體電路: 1971年~現今): – 自從IC被發明出來以後,IC的集積度不斷提升。從包含 10顆電晶體的小型積 體電路(SSI),直到 1971年開始製造包含 106顆的超大型積體電路(VLSI)。 VLSI由於包含多達 106顆以上的電晶體,因此只要使用相當小的體積,就可以 設計功能極度複雜的電路,例如微處理器(microprocessor)。VLSI的體積小、 資料傳輸速度很快、準確性很高、記憶體容量也非常大,因此除了桌上電腦 的中央處理器、主記憶體之外,在其他電子通訊方面的應用也越來越多,例 如手機能夠做到如此小,功能如此多,都有賴半導體的發展貢獻,就目前而 言,VLSI不但已經非常純熟,半導體製造廠商甚至已經具備ULSI及GSI的製 造技術,使得一顆IC內可以包含 108~109顆以上的電晶體。 【IC技術的演進】 SSI(Small-Scale Integration): 一顆IC含 10個電晶體 MSI(Medium-Scale Integration): 一顆IC含 102個電晶體 LSI(Large-Scale Integration): 一顆IC含 104個電晶體 VLSI(Very Large-Scale Integration): 一顆IC含 106個電晶體 ULSI(Ultra Large-Scale Integration):一顆IC含 108個電晶體 GSI(Giga-Scale Integration): 一顆IC含 109個電晶體 29
1. 3. 3 未來的電腦(第五代電腦) • 下一代(Next Generation)的電腦,究竟會出現什麼重大的變 化? – 這實在很難說。但歷史上曾經出現第五代電腦的說法 • 在 1980年,日本曾經提出發展第五代(Fifth Generation)電腦的十 年計劃,目標是要設計一個和人類一樣,具有智慧,能夠和人類 以自然語言溝通,並具有專家性質,能夠替人們解決問題的電腦 或機器人。 • 當時,曾引起美國及西歐各國的關注,並投注大量人力與資金一較 長短,雖然計劃最終宣告失敗,但在此十年當中,確實使得人 智慧(AI;Artificial Intelligence)領域的研究蓬勃發展。 • 事實上,日本也並非完全失敗,雖然無法設計出高度具有智慧的電 腦與機器人,但近幾年卻成功推出風靡一時的智慧寵物(如機器 狗),也創立了龐大的商機。 30
1. 3. 3 未來的電腦(第五代電腦) – 人 智慧 • 人 智慧的目的是要發展更聰明的電腦,人 智慧包含的技術非常 廣闊,並且有許多方面尚待努力,但在某些方面也確實已經獲得 不錯的成果,例如:在博弈方面的遊戲,電腦已經可以輕易勝過 一般等級的人類對手,在醫療方面,目前也已經有一些醫療專家 系統(expert system)可以提供看病的服務。 • 近幾年來的熱門研究則是資料探勘,它是針對大量資料進行探勘的 作,由於電腦容量越來越大,儲存的資料也越來越多,這些資 料有時乍看之下並無太多用途,但其實隱含著許多非常有用的知 識(knowledge),因此我們希望電腦有能力幫助人類找出這些知識, 以便對應用做出某些改善。 • 人 智慧大多從軟體設計著手,但隨著硬體的進步,有些問題反而 自然得到了解決,例如要設計可以打敗世界西洋棋王的電腦,目 前就是靠著硬體的強大效能得以完成。 31
1. 3. 3 未來的電腦(第五代電腦) • 除了人 智慧之外,未來的電腦技術正朝向幾個趨勢發展, 如下所述: – 更快的電腦: • 電腦的速度越快,處理資料的速度就越快,完成的 作也就越多,因此, 加快電腦的速度是永無止盡的需求,目前為了加快電腦的速度及產能, 大致上分為幾個努力方向:製程技術、電腦組織與結構的設計、平行化 處理等等,這些技術都已經有了一些成果。 • 但無論如何,目前的矽晶片電腦有其物理上的極限(包含電子運行速度, 以及集積度過高而無法散熱等問題),未來的電腦將可能朝向生物電腦、 光電腦及量子電腦發展,何者會率先成功,目前尚無法得知,但這三類 電腦都已經與本書所介紹的矽晶片電腦(或稱之為經典電腦)的運作原 理有根本上的不同。 32
1. 3. 3 未來的電腦(第五代電腦) – 更小的電腦: • 電腦其實已經和許多產業結合在一起,例如3 C整合就是將電腦 (Computer)、通訊(Communication)、消費性電子(Consumer Electronics)整合在一起,使得許多設備內都包含一些微電腦以便 提供更多的服務,例如行動電話、個人數位助理PDA、甚至是電 視機等。更小的電腦的努力方向大致上可以分為:製程技術、電 腦組織與結構的設計等等,其中目前正在研究將奈米科技應用於 電腦科技,或許未來將出現比人體細胞還要小的電腦,並且可以 用於醫療應用,您能想像身體裡面佈滿電腦的景況嗎! 【奈米科技】: 由於在奈米(10 -9 m)的世界裡,許多物質的物理特性將會呈現另一種風貌,奈米 科技並不僅止應用在電腦製造方面,它還可以進行許多其他方面的應用(例如製 作易於清洗的清潔用品),這也就是為何市面上各類產品都可能標榜奈米技術的 原因。 33
1. 3. 3 未來的電腦(第五代電腦) – 容量更大的電腦: • 隨著電腦科技的進步,資訊呈現指數性成長,因此更大的記憶體 容量也是永無止盡的需求,不論是在主記憶體(如RAM)、次要 記憶體(如硬碟、CD-ROM)等方面皆是如此,增加容量的努力 方向不外乎新技術的研發以及製程技術的改良。 – 更安全的電腦: • 電腦與網路雖然蓬勃發展,但也面臨著許多病毒(virus)、病蟲(worm)的 威脅,幾乎任何龐大的軟體系統都隱含著有一些漏洞,而駭客(hacker)則 藉由此漏洞竊取電腦內的資料或癱瘓、破壞電腦甚至是整個網路,使得 電腦變得並不安全。電腦安全的維護是一項長遠的攻防大戰,不斷的出 現新病毒,而防毒軟體也不斷地更新,以應付這些新病毒所帶來的困擾。 – 網路及無線網路: • 網路已是電腦不可或缺的基本功能,目前許多電腦零件(如主機板)已 經內建網路設備(例如網路卡),而手提式電腦則更內建了無線網路設 備,未來的電腦將網路及無線網路視為基本配備之一是毫無疑問的,差 別只在於所支援的網路規格與種類而已。 34
1. 3. 3 未來的電腦(第五代電腦) – 更大的頻寬: • 網際網路的流行,使得透過網路傳輸資料變成方便且廣泛的資料傳輸方 式,為了應付更大的資料傳輸量,我們需要更大的頻寬、更新的網路結 構以及更佳的資料壓縮技術。 – 更方便、舒適的使用環境: • 電腦徹底改變了人類的生活,根據統計顯示,人們使用電腦的時間不斷 地向上攀升,因此提供一個更方便、舒適的電腦使用環境也日益重要。 除此之外,為了更有效模擬環境,許多關於視覺、聽覺、觸覺的新型設 備也被設計出來,透過這些設備,人們在操作電腦模擬時,就如同置身 真實世界一般,而這些相關技術都包含在虛擬實境(virtual reality)的研究 範疇內。 – 更具整合性: • 由於各項技術的演進,人類對於電腦的需求已經從傳統 作上的需要邁 向生活上的需要,近年來,數位家庭的觀念崛起,電腦將結合無線技術 及網路,在生活中扮演控制中樞的角色,透過一個遙控器(可能手機就 是該遙控器),操控著家庭中的所有電子設備,而扮演設備整合的中央 電腦,也可能結合在某種必備的電子設備(如電視)之中。 35
1. 4 電腦的種類 • 1. 4. 1 電腦的分類 • 電腦的分類可以依據用途、處理資料的類型、綜合分類等選 項來加以分類如下: • 一、依用途分類 – 一般用途電腦 (General Purpose Computer): • 大部分的電腦都是一般用途電腦,可以使用不同的軟體進行不同的 作。例如可以用它來作文書處理 作,也可以用它來玩電腦遊 戲、瀏覽網路資料等等。 – 特殊用途電腦(Special Purpose Computer): • 專為某種特殊用途而設計的電腦,不論是硬體或軟體的設計都已經 被固定,只能用於該特殊用途。例如巡弋飛彈的導航電腦、汽車 內的微電腦控制系統等等。 36
1. 4. 1 電腦的分類 • 二、依處理資料的類型分類 – 類比式電腦(Analog Computer) • 類比式電腦可以處理連續時變(Continuously time-varying)的物理 量,例如聲音、電流、波形等,因此它可以快速解出微分方程式, 並透過周邊將結果以連續時變方式輸出,例如繪出波形圖,或直 接控制電子儀表。類比式電腦通常應用於化學 廠、航空 業、 電機 廠等場所。 – 數位式電腦(Digital Computer) • 大部分的電腦都是數位式電腦,可以用來處理非連續時變(離散) 的文數資料。它可以透過程式控制方式,以非常快的速度進行數 學與邏輯運算,並具有高度精確性。本書所介紹的電腦都是數位 式電腦。 – 混合式電腦(Hybrid Computer) • 混合式電腦綜合了類比式與數位式電腦的特性,它能夠將類比的 量度能力與數位的邏輯處理能力合併。例如接收連續時變的連續 物理量,經過處理後,以數位方式來輸出。 37
1. 4. 1 電腦的分類 • 三、綜合分類 – 數位式電腦的綜合分類與記憶容量、處理速度、軟體支援度、體積、 價格高低等皆有關係,並且可以區分為超級電腦、大型電腦、中型電 腦、小型(迷你)電腦、微型個人電腦等。 超級電腦 Cray T 90 大型電腦 IBM 3090 38 個人電腦 IBM PC
1. 4. 1 • 電腦的分類 超級電腦 (Super-Computer): – 超級電腦是性能最強,架構最特殊的電腦,最大的特點就是計算能力 超強、速度極快,超級電腦擁有許多的處理器,並組織成處理器陣列, 如此便能夠在同一時間內同時進行許多運算。 • 超級電腦的價格非常貴,約在數百萬 ~數千萬美元,例如 CRAY 公 司的 CRAY-1、 CRAY-2、 Cray X-MP、 Cray Y-MP 8 D、 Cray Y-MP 2 E、 Cray Y-MP 8 E、 Cray C 90、 Cray EL、 Cray T 3 D、 Cray J 90、 Cray T 90; CDC公司的 Star 100、 Cyber 205、 IBM的 Deep Blue、等等都是超級 電腦。 – 超級電腦適合用於資料量超大、處理速度要求 非常嚴格的應用,例如氣象預報、核彈試爆模擬 、 DNA模擬解析、航太科技等等。有時候,也會 利用其超強的計算能力來解決一些軟體 程無法 突破的困難,例如 IBM的 Blue Deep(深藍)曾在 1997年擊敗世界西洋棋王卡斯帕洛夫。 – 超級電腦由於價格昂貴,一般不會大量生產,並且 由於應用領域特殊,通常是科學家、氣象單位、 軍事單位才會需要使用超級電腦,因此在某些國家 超級電腦 Deep Blue ,超級電腦被列為管制出口的設備之一。 39
1. 4. 1 電腦的分類 • 大型電腦(Large-scale Computer;Mainframe) – 大型電腦一般稱為機架電腦(Mainframe),大型電腦的指令眾多、記 憶容量極大、處理速度也非常快,幾乎一切指標皆僅次於超級電腦。 DEC公司的VAX 8800;IBM公司的360、4381、3090;CDC的 Cyberg 60等都是大型電腦,其價格約在數百萬美元左右。大部分都是 銀行、保險業、政府單位等才會使用大型電腦。 • 中型電腦 (Medium-scale Computer) • 中型電腦的各項能力比大型電腦又遜 色一些,價格也便宜一點,約在數十萬 到百萬美元左右。 IBM公司的 4331、 CDC公司的 Cyber 171、 DEC公司的 DEC 10、 VAX 8600等都是中型電腦。使 用中型電腦的單位大多是公、民營大型 企業、大學、及研究機構。 40 中型電腦 VAX 8600
1. 4. 1 • 電腦的分類 小型電腦(Mini-scale Computer;Mini Computer) – 小型電腦又稱迷你電腦(Mini Computer),它的價格、效 率相較於超級電腦而言,確實非常迷你,約在十萬美元以 下,不過卻足以應付大多數中小型企業的需求,因此在某 個時期,使用迷你電腦的現象相當普遍。HP公司的HP 3000、NEC公司的NEC 200、DEC公司的VAX 780(1 MIPS)等都是迷你電腦。迷你電腦大多是一般中小企業、 廠在使用。 • 迷你電腦 VAX PDP-11 作站(Workstation) – 通常是專為特殊用途使用而設計的電腦,例如專門製造電 影動畫特效的3 D 作站。由於 作站的價格比迷你電腦便 宜許多,因此一度廣受歡迎(在個人電腦效能尚未提昇前) ,SUN的Sun Ultra、Sun SPARC及IBM的IBM POWER、 DEC的DEC ALPHA等都是 作站, 作站的作業系統為 UNIX系列,通常在 程或學術單位的計算機中心都可以找 到 作站實驗室。 Sun Blade 150 作站 41
1. 4. 1 電腦的分類 • 微型電腦(Micro Computer) – 微型電腦的效能最慢,但價格非常便宜,只需數百到數千美元左右, 例如神通公司的小神通、Apple公司的 Macintosh、IBM公司的PC XT/AT/386/486/Pentium等等。微型電腦又稱為個人電腦(Personal Computer;PC),目前大眾言談之間的電腦大多屬於個人電腦。由於 個人電腦的價格低、體積小,因此迅速在一般家庭及個人使用中普及。 最早期的個人電腦 Commodore PET 42
1. 4. 2 • • 個人電腦 凡是價格便宜、針對個人或家庭設計的電腦都屬於個人電腦(Personal Computer; PC),它包含了神通公司的小神通、Apple公司的Apple I、II、Macintosh;IBM公 司的PC XT/AT/386/486 /Pentium等等。 – 由於IBM在 1981年推出IBM PC且將電腦架構公開,因此,各家廠商可以依照 其架構製造IBM相容PC,因此使得PC一詞變成了IBM相容PC的簡稱。 IBM相容PC – IBM在 1981年推出了第一代的16位元個人電腦IBM PC,採用Intel的8088微處理器,由 於售價便宜,因此,個人電腦隨之流行起來。在 1983年,IBM則推出了PC-XT,附帶一 個10 MB的硬碟,而軟碟片的容量則為 360 KB。1984年,IBM使用Intel的80286微處理 器,推出了IBM PC-AT機種,同時搭配的硬碟容量為 20 MB,軟碟片的容量則為 1. 2 MB。 – IBM的32位元個人電腦在 1987年也誕生了,使用的是Intel的80386微處理器,並且慢慢 的將硬碟視為基本配備之一。386 PC根據數學處理器的不同,又分為 80386 SX與 80386 DX兩種。 – 1991年,486 PC問世,採用的是Intel 80486微處理器,機型分為 80486 SX、80486 DX、 80486 DX 2,效能上比 386進步很多,彩色螢幕也被視為基本配備之一,並且在晚期出 現的486電腦,已經可以執行Windows 95視窗作業系統。 43
1. 4. 2 個人電腦 • IBM相容PC(續) – 早年,由於IBM將公司主力放在大型電腦的研發,個人電腦對於IBM而言,根 本就像是玩具一樣,評估後發現也不太具有商機(當然事後證明並非如此), 因此,不但將設計架構完全開放(除了保留BIOS的版權),並且將作業系統 委託微軟開發,因而造就了下列三項大事。 • IBM相容PC大量出現,組裝電腦大行其道 • 微軟的崛起 • CPU代名詞 早期 PC等級 Intel CPU推出時間 PC推出時 間 PC( 8位元 /16位元) 8088 1978 1981 PC-XT( 8位元 /16位元) 8088 1978 1983 PC-AT/286( 16位元) 80286 1982 1984 386( 32位元) 386 SX、 386 DX 1985 1987 486( 32位元) 486 SX 486 DX、 486 DX 2、 44 486 DX 4 1989 1990 -1991 -1993
1. 4. 2 個人電腦 – 正如同上述三點,IBM相容PC長期使用Intel的CPU,使得IBM相容PC變成使 用CPU做為名稱的現象 • 在Pentium CPU出現之後,相容於IBM PC的各家廠商CPU也推出市場, 但市場仍被Intel的CPU大量盤據,因此,我們後來聽到的Pentium電腦、 Pentium II電腦、Pentium III電腦、Pentium 4電腦等,都是以使用的CPU 來做為電腦名稱的代表。 • 事實上,IBM相容PC的發展,到了晚期變成,Intel先發展新一代的CPU, 然後主機板廠商就會立刻設計可以使用該類CPU的主機板,最後搭配各種 記憶體、硬碟、周邊等設備就完成了一台新的個人電腦(從CPU出現後幾 乎半年內,使用該CPU的個人電腦就會問世)。 • 以Intel而言,在 1993年,推出了64位元的奔騰(Pentium) CPU,所以搭配 此類CPU的電腦稱之為Pentium電腦或 586電腦。而後,在 1995年又推出 了Pentium Pro CPU,是 686電腦的第一代,但銷售並不成功。反而是在 1997年推出的Pentium II CPU才是真正 686電腦時代的來臨,不過,由於 86系列的名詞已被放棄,因此之後的IBM相容電腦都使用Pentium一詞來 加以稱呼。在 1998年,Intel推出了Pentium III CPU,而在 2000年,Intel 則推出了Pentium 4 CPU。此外,在Pentium II推出後,Intel為了低價電 腦,則另外推出了低價 64位元的Celeron與伺服器等級的Xeon等處理器。 45
1. 4. 2 個人電腦 – 在Pentium CPU推出時,IBM相容PC的CPU市場已經不再由Intel所獨 攬,諸如AMD、VIA等也推出了AMD 5 x 86、Cyrix 6 x 86、AMD K 6、 Cyrix 6 x 86 MX、AMD K 6 -III、AMD K 7、AMD Athlon、AMD Duron、 C 3等CPU。 • 所以我們現在很難給IBM相容PC一個正確的名詞,一般都只會稱 呼該部個人電腦為XX等級的電腦,例如:Pentium III等級電腦, 或者只能夠以該部個人電腦使用何種 CPU方式來加以描述,並且 除了CPU名稱之外,還會加上CPU時脈,例如,電腦教室的PC是 Pentium 4 3. 6 GHz,代表就是這些PC使用的CPU為Pentium 4, 時脈為 3. 6 GHz。 46
1. 4. 2 個人電腦 – 在 2000年之後,IBM相容PC所使用的CPU只剩下AMD(超微)、Intel(英特 爾)兩家大廠競爭 • 在 2003年之前,不論市場或技術,Intel始終保持大幅領先,在此時段, Intel所採用的Pentium 4以不斷提高時脈的方式來提升CPU的效能 • 當同一時期的Intel Pentium 4對上AMD-Athlon K 7時,K 7總是敗下陣來, 可以說是看時脈就可以決定效能的時代 • 由於產能與生產技術是Intel的強項,因此AMD轉而尋求架構上的突破,而 非高時脈的追求。 – 在 2003年,AMD 的AMD -Athlon 64(K 8)有了突破性的成果 • K 8不再追求高時脈,而成功的提升了每個週期的指令處理數量,在市場 專業人士的推波助瀾下,時脈不等於效能的觀念終於成形 • 這個改變使得Intel的Pentium 4市場佔有率大幅下降,原本,Intel打算將 追求時脈到達 5 GHz後才尋求新的CPU架構,但由於功耗過大,使得始終 無法突破 4 GHz的門檻。 47
1. 4. 2 個人電腦 – 在這個階段中,AMD首先將設計朝向了多核心的設計 • 理論上,越多核心的處理器架構,只要在核心元件間的資料存取方 式取得突破,效能就可以大幅提升,K 8在多核心的設計上取得了 先機,因此,AMD在 2004年率先推出AMD Athlon 64 X 2 Dual. Core雙核心CPU,隨後又推出了AMD Athlon 64 FX-62。 • 當然此時Intel也體認到多核心設計的重要性,隨後也跟上腳步,提 出了Core微架構的CPU,並於 2005推出Core 2 Duo/Extreme雙核 心CPU(Extreme為可更改倍頻數以降頻或超頻的CPU)。 • 兩家公司近年也推出四核心CPU,分別是AMD Phenom與Core 2 Quadro。 48
近期 PC等級 586/Pentium 其他廠牌 CPU推出時間 AMD-5 x 86 M 1 Intel CPU 1993 1997 1996 1995 Pentium MMX Pentium Pro Pentium II AMD-K 6 M 2 Pentium II Xeon Celeron K 6 -III AMD-Athlon 不統一 Pentium III Xeon Pentium 4 Xeon AMD -Athlon XP AMD Duron C 3 Pentium M(for NB) Pentium D/EE 49 AMD -Athlon 64(K 8) 1995 1997 1998 1999 1999 2000 2001 2002 2003
1. 4. 2 個人電腦 近期 PC等級 Intel CPU 其他廠牌 CPU推出時 間 多核心時 代 Pentium D/EE雙核心 Intel Core 2 Duo/Extreme Intel Core 2 Quadro AMD Athlon 64 X 2 Dual-Core AMD -Athlon 64 FX-62 AMD Phenom 2004 2005 2006 -2007 – 值得注意的是,隨著市場的脈動,個人電腦的各種元件變成各家廠商 必爭之地,也因此,使得個人電腦的效能大幅提昇,以往負責多人多 的 作站與伺服器,慢慢都被個人電腦所取代。 • 造成這種現象,除了個人電腦硬體效能提昇的因素之外,另一方面 則是由於作業系統的支援,例如Windows就發展了Windows NT/2000/XP/2003的Workstation與Server版本,另一方面也出現 了Free. BSD及Linux等可以安裝於PC上的Unix作業系統。 50
1. 4. 2 個人電腦 Acer推出的成套雙核心個人電腦 除了組裝電腦零件外, IBM仍推出成套 Pentium 4個人電腦 【 Wintel架構】 : 在 PC中,所謂Wintel架構事實上包含了軟體與硬體,也就是一般購買電腦時最常 見的搭配,在 CPU方面,採用 x 86指令集為基礎,故以 Intel為準。而Win則指的是 Windows作業系統。 51
1. 4. 2 • 個人電腦 麥金塔電腦(Macintosh) – 美國Apple公司在 1977年推出Apple I、II,是世界上第二部PC(第一部是Ed Robert在 1975年製造的Altair 8800)。至此之後,Apple又推出了麥金塔電腦 (Macintosh),麥金塔電腦在國外頗為流行,因為它的操作介面非常人性化, 很早就使用滑鼠及視窗化介面,對於專業美 排版而言,效能更勝於IBM所推 出的PC。不過,由於在台灣的售價偏高,因此喪失了台灣個人電腦市場的佔 有率,不過自從i. Mac系列的推出,一般使用者只需要花費 3~4萬就可以購得, 因此市場佔有率有慢慢回升的現象。 – 麥金塔電腦的設計架構和IBM PC完全不同,早期它採用的是Motorola的CPU, 諸如Power. PC處理器等等,所以又稱為Power PC。麥金塔電腦的作業系統也 是完全由Apple公司獨立開發(例如Mac-OS),而不是像IBM將作業系統委 託給微軟代為開發MS-DOS作業系統。由於麥金塔電腦如此封閉及特殊,因 此許多人會使用Apple、Mac、Power. PC等代名詞來加以稱呼,這是因為人們 分別以「公司」、「作業系統」、「處理器名稱」加以稱呼的緣故。 52
1. 4. 2 個人電腦 近期的 Power Mac G 4 • 麥金塔電腦(Macintosh)[續] – 由於近年來多核心CPU的發展趨勢已然定 型,故Apple公司也將i. Mac電腦採用了多 核心CPU,但在CPU的選擇上也就自然減 少,最後i. Mac也採用了Intel的Core 2系列 CPU。 – 由於軟體的適用性不僅僅牽涉到CPU的指 令集,也牽扯到作業系統,因此麥金塔電 腦的軟體與IBM PC的軟體並不相容,但有 些時候,廠商們會針對各種電腦分別開發 同一功能的軟體,讓使用者在操作上比較 方便,例如Netscape瀏覽器就是其中一例。 而近年來採用Intel多核心CPU的Mac電腦 也有玩家成功安裝Windows的案例。 雙核心 i. Mac mini 53
1. 4. 2 個人電腦 • 筆記型電腦(Note. Book) – 個人電腦的流行,使得每個人都有一台以上的電腦不足為奇,為了 更方便使用者,個人電腦還演變出許多形式,例如站立型、桌上型、 膝上型、筆記型、掌上型等等。而在一般言談間,PC一詞甚至只被 侷限於形容IBM相容PC的站立型及桌上型(desktop)。 – 筆記型電腦(Note. Book)的功能和PC完全一樣,不過它比一般個人電 腦還輕,並把滑鼠、鍵盤也包含在內,加上電池裝置,成為可以隨身 攜帶的電腦,故又稱之為膝上型電腦(Laptop)。通常筆記型電腦都是 整台出售,並且售價比PC貴上一些,效能上則比較遜色一點,例如 同一時期的最頂級PC效能通常比最頂級筆記型電腦來的好。這是由 於筆記型電腦必須考慮到重量、體積、散熱、耗電量等特殊需求,因 此,設計難度比較高。同時,Intel及各家廠商也針對了筆記型電腦設 計了一些專用的CPU,以減少其耗電量。 54
1. 4. 2 個人電腦 • 筆記型電腦(Note. Book)[續] – 除了必須符合低耗量之外,由於無線網路技術的發達,因此行動運算 技術也漸漸變成筆記型電腦的必要條件之一。為此,Intel還定義了迅 馳(Centrino)一詞。事實上,Centrino並非一顆CPU,甚至它也不是 晶片,Centrino只是一種 Intel訂定出來的技術規格,凡是符合該技術 規格者,Intel將允許該筆記型電腦使用Intel Centrino標籤出售。 Apple的 Mac. Book筆記型電腦 日系 Toshiba筆記型電腦 55
1. 4. 2 個人電腦 • 迷你筆記型電腦 – 在過去幾年間,一些電腦廠商尋求低價電腦的解決方案,以推出百元 (美金)電腦為目標,而在筆記型電腦方面,同樣尋求低價筆記型電 腦,目前已經有華碩的Eee. PC(易PC)、HP的Mini-Note等等面世, 價格約在 12000~15000台幣之間。其特色為小巧(螢幕大多為 8~9吋) ,並且為了壓低價格,通常採用Linux作業系統,部分機種也可以安裝 Windows作業系統。對於一般只透過網路 作的行動使用者而言,已 經具備足夠的功能以完成 作。 華碩的 Eee. PC HP的 Mini-Note
1. 4. 2 個人電腦 【 Intel Centrino行動運算技術】 Intel為了推廣筆記型電腦方便行動的特性,特別定義了『 Intel Centrino 行動運算 技術』一詞,並且允許所有符合『Intel Centrino 行動運算技術』的筆記型電腦,在 外觀上掛上『Intel Centrino』的標誌來販售。 第一代的 Intel Centrino行動運算技術包括下列元件: 1. Intel Pentium M 處理器 2. 筆記型 Intel 915 系列高速晶片組產品或 Intel 855 晶片組系列產品 3. Intel PRO/Wireless 無線網路模組系列產品 事實上,Intel Centrino已經發展到了 第四代(第二代為 Sonoma,第三代為 Napa, 第四代為 Santa Rosa)。 總體來說,Intel Centrino行動運算技術可以為筆記型電腦 提供下列幾項功能: 1. 整合無線區域網路 (WLAN)功能 2. 卓越的行動運算效能 3. 實現優異的電池續航力 4. 各式各樣的筆記型電腦設計造型 簡而言之, Intel Centrino具有下列特點: 1. 支援無線網路。 2. 低耗電量。 3. 低熱能。 57 4. 全部使用 Intel相關的晶片。
1. 4. 2 個人電腦 • 個人數位助理(PDA) – 個人數位助理(Personal Digital Assistants;簡 稱PDA)是一種非常小型的電腦,它可以放入 口袋中隨身攜帶,並且使用手寫輸入、觸控螢 幕作為輸入設備,由於非常方便且支援軟體眾 多,售價偏低(約為數千元~二萬元左右), 因此,許多上班族及業務員非常喜歡使用它來 記錄行事曆、客戶資料;收發電子郵件,有逐 漸取代電子翻譯機的趨勢。目前許多PDA已經 與手機、GPS(Global Position System;衛星 定位系統)結合在一起,未來可能也將是個人隨 身不可或缺的一項電子產品。 58 PDA
1. 4. 2 • 個人電腦 平板電腦(Tablet PC) – 在 2002年底,微軟與ACER、Compaq、Fujitsu、NEC、 Toshiba、View. Sonic等硬體廠商合作發展一種新型的 可攜式電腦,稱為平板電腦(Tablet PC) – Tablet PC具有可摺疊的優點,結合了PDA與 Note. Book的特性,一方面它可以直接使用手寫輸入、 觸控螢幕等來輸入資料,體積及性能又和Note. Book差 異不大,目前正被許多大廠(如微軟)所大力推銷中 – Tablet PC想要取代的市場應該是Note. Book而非PDA, 但目前和Note. Book的價格尚有一段距離,因此仍需努 力。 – 事實上,平板電腦又分為沒有鍵盤的純平板電腦(Pure Tablet PC)及有鍵盤的摺疊式平板電腦(Convertible Tablet PC),目前在台灣看到比較多的是摺疊式平板 電腦。 純平板電腦 摺疊式平板電腦 59
1. 4. 2 個人電腦 【 曇花一現的網路電腦 (Network Computer)】 網路電腦是一種極為特殊的電腦設備,它完 全是因應 Internet流行所出現的一種電腦。網 路電腦有 CPU與記憶體,它可以連結到電視 中,讓使用者透過電視及網路連上 Internet, 進行網路瀏覽與交易。另外,網路電腦也可 以搭配鍵盤與螢幕來上網,不過由於人們不 習慣使用電視上網,且一般 PC的價格一再下 滑,因此目前很少人使用網路電腦。 然而網路電腦雖然沒落,但其觀念卻被發揚 光大,例如任天堂所出品的 Wii遊樂器,也提 供了網際網路功能,透過電視與搖桿即可完 成網路瀏覽與交易。 60 網路電腦
1. 5 電腦的組成 • 電腦系統可以分為使用者(user)、硬體(hardware)與軟體(software)等三項 – 『使用者』就是使用或管理電腦的人 – 『硬體』就是組成電腦的電子元件以及各項設備 – 『軟體』則是一種抽象化的名詞,它必須以某種排列方式附著於某個硬體之 上,例如:附著於記憶體、硬碟、光碟片中,而『軟體』的功能則是告知電 腦該去做什麼或提供電腦所需要資料的來源。 • 1. 5. 1 硬體 (Hardware) – 『硬體』就是一切可以看到的電腦設備(連電腦外殼也拆掉),不過若光是 這樣形容電腦硬體未免過於簡單。 – 實際上,若從功能面加以區分,一般會將電腦硬體分為算術邏輯單元、控制 單元、記憶體單元、輸入單元、輸出單元等5大單元(如下圖),這 5個單元 分別負責不同的 作,其中的CPU、主記憶體則可以說是電腦的核心元件。 61
1. 5. 1 硬體 (Hardware) 電腦硬體的 5大單元 62
1. 5. 1 硬體 (Hardware) 【 其他分類 】 : 由於電腦硬體分類,各家說法不一,除了上述分為五大單元之外,尚有下 列四種分法: 五大單元:CPU、主要記憶體、次要記憶體、輸入單元、輸出單元 ‧ 四大組成部份: CPU、記憶體(含主要記憶體、次要記憶體)、輸入單元、輸出單元 ‧ 三大組成部份: CPU、記憶體(含主要記憶體、次要記憶體)、輸入/輸出單元 ‧ 三大組成部份:系統單元(含 CPU、主記憶體)、次要記憶體、輸入/輸出單元 ‧ 其中,CPU包含算術邏輯單元及控制單元。 主要記憶體又稱 主記憶體 ,次要記憶體又稱 輔助記憶體 。 63
1. 5. 1 硬體 (Hardware) • 算術邏輯單元(Arithmetic and Logic Unit) – 算術邏輯單元(簡稱ALU)是執行程式中各類運算的實體單位,這些運算則可以分為兩 大類:算術運算與邏輯運算。算術運算包含加、減、乘、除等等的數值運算,而邏輯 運算則包含AND、OR、NOT等位元/位元組的邏輯運算。 • 控制單元(Control Unit) – 控制單元(簡稱CU)的功能是控制流程及協調輸入、輸出、記憶、算術邏輯 等4大單元的運作。控制單元中包含(1)記錄指令運作順序的微程式( microprogram)、(2)取得下一指令的邏輯電路 (3)驅動元件的解碼器( decoder)及(4)眾多選擇器(multiplexer)。 • 當指令進入CPU之後,控制元件就會先進行指令解碼(Decode),並按照 指令種類執行對應的微程式,發出不同的訊號完成該指令所需要完成的各 項功能,最後執行邏輯電路以便取得下一個指令。 算術邏輯單元、控制單元與一些容量不大的暫存器記憶體合稱 中央處理單元 (就 是常聽到的 CPU), 中央處理單元 和 主記憶體 則為電腦的核心部分,其餘的周邊 設備(輸入單元與輸出單元)必須與之連結,透過中央處理單元的控制,使周邊 設備正常運作。 64
1. 5. 1 硬體 (Hardware) • 記憶體單元(Memory unit and Storage Unit) – 記憶體單元分為主記憶體(main memory)與次要記憶體(secondary memory),主要功能是用來儲存資料(程式也可視為一種資料),任 何要被執行的程式都必須放置於主記憶體中,CPU才能存取該程式, 對於新型的作業系統而言,會將部分的輔助記憶體當作是虛擬的主記 憶體,以便解決程式過多或過大而無法完全載入主記憶體的問題。 • 主記憶體也稱為內部記憶體(internal memory),目前以半導體元件 製成,特性為存取速度快、成本高。主記憶體依照存取特性又可 以分為可讀可寫的隨機存取記憶體(Random Access Memory;簡 稱RAM)及只能讀取的唯讀記憶體(Read Only Memory;簡稱 ROM)。 • 次要記憶體又稱輔助記憶體(auxiliary memory),也稱為外部記憶 體(external memory),目前以磁性物體或光學材料組成,例如: 硬碟機、軟碟片、光碟片。輔助記憶體的存取速度相對於主記憶 體慢了數十倍以上,但製作成本則比主記憶體低了數十倍以上。 65
1. 5. 1 硬體 (Hardware) • 輸入單元(Input unit) – 輸入單元是具有輸入功能的週邊設備,例如鍵盤、滑鼠、搖桿等等。 使用者可以藉由這些輸入裝置與電腦取得溝通的管道。 輸入單元 66
1. 5. 1 硬體 (Hardware) • 輸出單元(Output unit) – 輸出單元恰與輸入單元相反,所有具有輸出功能的設備皆屬輸出單元 的元件,主要功能是將程式執行的結果(如:文字、聲音、影像等) 輸出或顯示。常見的輸出裝置例如螢幕、印表機等等。 – 某些週邊設備也可能同時具有輸入與輸出的功能,例如:觸控式螢幕、 會震動的搖桿等等。 輸出單元 67
1. 5. 1 硬體 (Hardware) CPU 主記憶體 輔助記憶體 輸入單元 輸出單元 ALU CU 暫存器 RAM ROM 硬碟 軟碟 光碟 : : 鍵盤 滑鼠 軌跡球 手寫輸入裝置 語音輸入裝置 : : 螢幕/顯示器 投影機 印表機 繪圖機 : : 68
1. 5. 2 軟體 (Software) • 『軟體』是一種抽象化的名詞,它必須以某種排列方式附著 於某個硬體之上。 • 『軟體』是一種抽象化的名詞,它必須以某種排列方式附著於某個硬體之 上。 – 軟體又分為資料(data)與程式(program)兩大類,不論是哪一類事實上都是以 0、1的二 進位表示法儲存在電腦設備中(例如:儲存於硬碟機中)。 • 程式(program)是由一組有順序的指令(instruction)所構成,而指令則是指揮電腦作 業方式的命令,CPU於辨識指令後,便會依照系統的結構執行指令,完成不同的 作。 • 程式又可以分為系統程式(System Program)與應用程式( Application Program)兩大類。 – 系統程式一般為較接近硬體底層的低階程式,例如:作業系統(Operating System)、程式語言的編譯器(Compiler)、組譯器(Assembler)、連結器 (Linker)等都屬於系統程式。 – 應用程式則是架構在系統程式之上,依據某種特殊需求而開發出來的軟體, 例如:Office、帳務系統、電腦遊戲等等。
1. 5. 2 軟體 (Software) 系統程式與應用程式階層圖 系統程式與應用程式關係圖 【 韌體 】: 韌體的特性介於硬體與軟體之間,它其實是將程式固 定寫入在某些唯讀記憶體中,例如 BIOS程式就是寫入 在 ROM之中。 70
1. 5. 2 軟體 (Software) • 作業系統 – 作業系統(operating system;簡稱OS)是介於電腦硬體與應用軟體之 間的橋樑,負責所有硬體資源的操作細節以及配置,本書將於第 7、8 章,對於作業系統詳加介紹。 【 常見的作業系統 】 作業系統分為三大類 (1) 作站級以上使用: Unix,例如: Sun. OS、 AIX、 Solaris…等。 (2)個人電腦: DOS、 OS/2、 Microsoft Windows 95/98/NT/Me/2000/XP/2003/Vista 、 linux(Unix-like)、 Free. BSD(Unix-like) …等。 (3)麥金塔專用: Mac OS。 71
Linux作業系統的 X-Windows Vista作業系統 Mac OS X作業系統 72
1. 5. 2 軟體 (Software) • 程式發展 具 – 程式必須使用程式語言來開發,而開發完成的程式則必須透過程式發 展 具(如編譯器)轉換為可以直接透過作業系統執行的軟體。程式 語言的種類眾多,諸如組合語言、C、C++、Basic、Pascal、Java、 LISP等等都是常見的程式語言,所使用的發展 具略有不同。 DEV C++程式開發 具 73 Borland C++ Builder 6. 0程式開發 具
1. 5. 2 軟體 (Software) • 應用軟體 – 應用軟體(application)是針對某種特殊目的而設計的程式,例如: Microsoft Internet Explorer瀏覽器就可以用來瀏覽WWW的網路資料, Microsoft Outlook Express/Windows Mail可以用來收發電子郵件, Word可以處理各類文書,Excel可以用來製作試算表。 使用 Windows Mail收發電子郵件 使用 Microsoft Word製作通告 74
1. 5. 2 系統程 式 作業系統 程式發展 具 應用程式 軟體 (Software) DOS、 Windows 95/98/me、 Windows NT/2000/XP/Vista、 Linux… 編譯器、直譯器、組譯器 … 瀏覽器、繪圖軟體、影像處理、 辦公室常用軟體 Office… 75
1. 6 資訊時代的下一步-知識時代 • 資訊時代的下一步將會是知識時代 – 電腦將資料(data)處理後將獲得有用的 資訊(Information),而這些資訊將可以 再被淬取出有用的知識(Knowledge), 如圖所示 – 此方面的技術歸類於知識 程與管理 的研究範疇內,例如資料探勘(data mining)就是其一,本書將於第 14章深 入介紹。 資 料 、資訊與知識階層示意圖
重點回顧 本章習題 77
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