Transcript 第01章
CH01電腦基本架構 認識電腦基本架構 認識中央處理器 認識記憶體與儲存裝置 認識輸出入裝置 學習資料表示法 1-1 電腦基本架構 CH01 電腦基本架構 3 電腦與人類生活 電腦無所不在 桌上型電腦、筆記型電腦、智慧型手機、平板電 腦、… 汽車、捷運、高鐵、飛機等交通工具以及交通號誌必 須藉助電腦來控制與管理 銀行ATM提款機、悠遊卡智慧票證系統、公司行號人 事差勤系統，各式各樣的通訊與網路系統等等 CH01 電腦基本架構 4 電腦的最基礎架構 軟體 (Software) 硬體 (Hardware) CH01 電腦基本架構 5 常見的電腦硬體 中央處理器 鍵盤 CH01 電腦基本架構 記憶體 滑鼠 硬碟機 光碟機 螢幕 印表機 6 電腦軟體 若只有電腦硬體，卻沒有安裝任何軟體，電腦無從 得知到底該執行什麼動作 電腦軟體的主要功能就是驅動電腦硬體，並且讓電 腦依照人們的指示來執行任務 電腦軟體可依照應用特性來分類，大致包括了作業 系統、系統工具程式、應用軟體等類型 CH01 電腦基本架構 7 常見的作業系統 CH01 電腦基本架構 8 系統工具程式及應用軟體 系統工具程式 例如防毒程式、磁碟備份程式、檔案壓縮/解壓縮程 式、… 應用軟體 例如Office文書處理軟體、Photoshop影像處理軟體、 Skype或MSN即時通訊軟體、各種遊戲軟體、… CH01 電腦基本架構 9 常見的電腦類型 桌上型電腦 一般個人電腦（PC）指的都是桌上型 電腦 為何叫「桌上型」？因為通常電腦主機 體積不大，可平躺或直立地放置在桌面 上 All-in-One（AIO）PC：將電腦主機與 螢幕合而為一，可節省桌面空間，亦可 減少電腦背面的連接線與電源線，讓擺 放電腦的桌面更為整潔 CH01 電腦基本架構 10 常見的電腦類型 筆記型電腦 最主要目的是為了讓人攜帶方便 具有輕巧、耐震、耗電量低等特性 CH01 電腦基本架構 11 常見的電腦類型 家庭劇院電腦 Home Theater PC (簡稱HTPC) 主要用途為擺放在客廳的電視機旁，以電視做為電腦 的顯示器，讓使用者透過HTPC來播放影音媒體或是玩 電腦遊戲 通常較強調高畫質輸出能力，及低運作噪音等特性 CH01 電腦基本架構 12 常見的電腦類型 伺服器 Server 主要功能不是個人使用，而是提供服務給多人共用 硬體規格上通常要求較高，例如採用伺服器專用中央 處理器、大容量主記憶體、具有容錯功能的磁碟陣列 等等 CH01 電腦基本架構 13 常見的電腦類型 智慧型手機 Smartphone 本質上就是縮小版的個人電腦，使用者可在其中依需 求安裝應用軟體 CH01 電腦基本架構 Apple iPhone Google Android Microsoft WP8 BlackBerry 14 常見的電腦類型 平板電腦 Tablet Computer Apple iPad CH01 電腦基本架構 Tablet PC Android Tablet 15 市占率 (%) 2013年第2季全球PC市場排名 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 16.7 11.8 8.3 6.0 聯想 （Lenovo） CH01 電腦基本架構 16.3 惠普 （HP） 戴爾 （Dell） 宏碁 （Acer） 華碩 （ASUS） 資料來源：Gartner 16 2013年第1季 全球智慧型手機作業系統排名 80 74.4 70 市占率 (%) 60 50 40 30 18.2 20 10 3.0 2.9 0 Android CH01 電腦基本架構 iOS Blackberry Microsoft 1.9 0.6 Bada Symbian 資料來源：Gartner 17 1-2 中央處理器 CH01 電腦基本架構 18 中央處理器 Central Processing Unit，簡稱CPU 中文名又稱「微處理機」、「微處理器」，或就叫 作「處理器」 CPU是電腦的資料處理中心，負責各種算術運算、 邏輯運算，以及程式執行等工作 CH01 電腦基本架構 19 中央處理器時脈速度的進展 多核心處理器 CH01 電腦基本架構 資料來源：Tom’s Hardware 20 常見的CPU CH01 電腦基本架構 21 中央處理器的組成單元 CH01 電腦基本架構 22 算數邏輯單元（ALU） 除了加、減、乘、除等算數運算之外，它也負責邏 輯運算 CH01 電腦基本架構 23 CPU的運作 $3 = $1 + $2 控制單元 $1 算術邏輯 單元 暫存器 $1+$2 $2 $3 CH01 電腦基本架構 24 控制單元（CU） 1. 接受指令（Instruction） 2. 解讀指令裡的運作碼（Opcode） 指令是要做什麼動作（例如某算術運算或邏輯運算） 需要哪些運算元（Operand） 運算元應該放在哪裡 3. 產生對應的控制信號來操控相關元件的動作 CH01 電腦基本架構 25 中央處理器的規格 時脈速度 中央處理器內部的運作速度 例如Intel Core i7-3770的時脈速度為3.40GHz CH01 電腦基本架構 26 中央處理器的規格 核心數量 多核心架構（Multi-core） 在CPU的積體電路包裝內植入多個可彼此獨立運作的 處理器，這些獨立運作的處理器也就是所謂的「核 心」 與單核心CPU相較，在同一時脈速度之下，多核心 CPU可同時執行多個任務，因此計算效能較好 市面上主流的個人電腦CPU均為多核心架構 例如Intel Core i5/i7系列多為4核心、AMD Phenom II X6系列為6核心 CH01 電腦基本架構 27 中央處理器的規格 快取記憶體 中央處理器 CPU核心 快取記憶體 快取記憶體（Cache）扮 演了橋梁或代理人的角色 運作介於CPU的暫存器與 電腦的主記憶體之間 匯流排 為何需要快取記憶體？ 主記憶體 CH01 電腦基本架構 CPU時脈速度遠高於主記 憶體時脈速度 若要暫存器直接存取主記 憶體，則CPU運作效能將 被嚴重拖累 28 中央處理器的規格 32位元與64位元 所謂的32位元或64位元處理器，指的是CPU能在單 一時脈週期內解譯並執行的位元數量為32位元或是 64位元 個人電腦或伺服器所使用的CPU均早已進入64位元 的世代 智慧型手機與平板電腦所使用的CPU將於2013年進 入64位元的世代 CH01 電腦基本架構 29 1-3 記憶體與儲存裝置 CH01 電腦基本架構 30 數位（Digital）與類比（Analog） 數位指的是將信號用不連續的位階來表達，就像是 樓梯般的，只有第1階、第2階、第3階等表達方式， 而沒有所謂第2.39階這種位置存在 類比信號的觀念就像是一個斜坡般，位置與位置之 間的關係是連續的，不像階梯那樣是被斷開來的 CH01 電腦基本架構 31 數位（Digital）與類比（Analog） 屬類比信號的聲波圖形 電腦產生的數位信號 振幅 +V 0 V CH01 電腦基本架構 時間 32 位元 vs. 位元組 位元（bit） 數位信號的最基本單位 值為0或1 以小寫字母b表示 Most Significant Bit (MSB) 1 1 0 位元組（Byte） 8 個位元併排組合在一起成為1個位元組 儲存容量的最基本度量單位 以大寫字母B表示 CH01 電腦基本架構 1 0 0 0 1 Least Significant Bit (LSB) 33 常見的儲存容量單位 CH01 電腦基本架構 34 記憶體的分類 1. 隨機存取記憶體（RAM） 可供以隨機方式讀取與寫入資料 關閉電源後資料會消失（稱為具有揮發性） 例：電腦的主記憶體、CPU 內部的快取記憶體、… 2. 唯讀記憶體（ROM） 只供讀取，無法寫入 關閉電源後資料不會消失（稱為具有非揮發性） 例：電腦的系統BIOS、CD唱片、… CH01 電腦基本架構 35 隨機存取記憶體（RAM） 1. 靜態隨機存取記憶體（SRAM） 單位結構大多由6個電晶體所組成 為何稱為「靜態」？因為SRAM沒有隨時間電荷流失 而造成資料遺失的問題 2. 動態隨機存取記憶體（DRAM） 單位結構由1個電晶體與1個電容組成 為何稱為「動態」？因為DRAM 的運作過程當中，電 容必須被反覆地充電 CH01 電腦基本架構 36 SRAM vs. DRAM CH01 電腦基本架構 37 SRAM CPU快取記憶體 例：Intel Core i7的快取記憶體容量為8MB CH01 電腦基本架構 38 DRAM 主記憶體 例：單一記憶體顆粒容量為256MB CH01 電腦基本架構 39 DRAM的種類 FPM DRAM、EDO RAM、Burst EDO RAM、 SDRAM、DRDRAM、DDR SDRAM、… 目前以DDR SDRAM技術為市場主流 DDR（Double Data Rate） 雙倍資料速率 第二代的DDR2 SDRAM、第三代的DDR3 SDRAM 目前DDR3 SDRAM已成為最普遍使用的類型 CH01 電腦基本架構 40 DRAM的價格趨勢 CH01 電腦基本架構 資料來源：http://www.jcmit.com/mem2010.htm 41 每台PC平均DRAM容量趨勢 CH01 電腦基本架構 資料來源：IHS iSuppli Research, August 2011 42 唯讀記憶體（ROM） 傳統的ROM只能供我們一次性的寫入資料 新一代的ROM已可讓我們對其內容進行更新 1. EPROM（Erasable Programmable ROM） 2. EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM） 已廣泛應用於電腦的BIOS 3. 快閃記憶體（Flash Memory） 應用於記憶卡、USB 隨身碟、固態硬碟 CH01 電腦基本架構 43 硬碟機 Hard Disk Drive（HDD） 磁性碟盤 主軸與馬達 一種以旋轉磁性碟盤為核心 的非揮發性儲存媒體 內部構造由磁性碟盤、主軸 與馬達、讀寫頭所組成 碟盤非常堅硬，可承受高速 旋轉而不變形 讀寫頭 CH01 電腦基本架構 44 硬碟機的規格 1 尺寸（Form Factor） 碟盤直徑：3.5英吋、2.5英吋、1.8英吋等三種 磁碟容量（Disk Capacity） 3.5 英吋：~ 4TB 2.5 英吋：~ 2TB 1.8 英吋：~ 160GB CH01 電腦基本架構 45 硬碟機的規格 2 磁碟快取（Disk Cache） 又稱為磁碟緩衝器（Disk Buffer） 觀念類似CPU的快取記憶體，磁碟快取是主記憶體與 硬碟之間的緩衝器 轉速（Rotational Speed） 轉速愈高，資料存取速度愈快 單位：RPM（Revolutions Per Minute） CH01 電腦基本架構 46 硬碟機的規格 3 傳輸介面（Interface） 早期流行的IDE介面已快要絕跡 目前絕大多數硬碟機採用Serial ATA標準，簡稱SATA SATA 介面亦可用來連接其他大量儲存裝置，如光碟機 CH01 電腦基本架構 47 光碟機 光碟機（Optical Disc Drive） 藉由使用雷射光波進行資料讀取或寫入動作的大量儲 存裝置 光碟片（Optical Disc） 用於光碟機的可交換式光學資料儲存媒體 CH01 電腦基本架構 48 CD（Compact Disc） 用途 儲存與播放音樂、數位資料與多媒體資料 標準尺寸直徑12公分的CD片可容納80分鐘的未壓縮語 音資料或約700MB的數據資料 CD種類 1. CD-ROM：僅能讀取資料，不能寫入或變更 2. CD-R：僅能寫入資料一次，不能重覆寫入 3. CD-RW：可重覆寫入 CH01 電腦基本架構 49 Video CD（VCD） VCD 使用CD來儲存數位視訊的一種國際標準 解析度為352240像素 視訊採用MPEG-1壓縮技術 CH01 電腦基本架構 50 DVD（Digital Versatile Disc） DVD 標準尺寸亦為直徑12公分 最小容量為4.7 GB，最高可達17 GB 有單面單層、單面雙層、雙面單層，以及雙面雙層等 多種形態 CH01 電腦基本架構 51 DVD的種類 1. DVD-ROM：僅能讀取資料，不能寫入或變更 2. DVD-Video：適用於藉由DVD 來儲存與傳播電影等影 音內容之標準 3. DVD-Audio：適用於藉由DVD 來儲存高傳真音訊內容 的標準格式 4. DVD-R：可寫入資料一次，但無法重覆寫入 5. DVD-RAM：就像硬碟機一般，可隨機讀取與寫入 6. DVD-RW：與DVD-RAM類似，但讀取與寫入方式是循 序而非隨機 CH01 電腦基本架構 52 發展DVD的主要用途 DVD-Video 採MPEG-2視訊壓縮技術，解析度可達720480像素 採Dolby Digital（AC-3）音訊格式，支援多達6個聲道 （或稱5.1 聲道） DVD-Video所提供的影音品質遠高於早期的VCD 其他功能：至多32種語音、8種字幕、9組視角 CH01 電腦基本架構 53 DVD燒錄機 內接式 (SATA介面) CH01 電腦基本架構 外接式 (USB介面) 54 藍光光碟（Blu-ray Disc） 簡稱BD 用來取代DVD技術的新一代光學儲存媒體 外觀上保持與CD或DVD一致的12公分直徑 為何稱為「藍光」？因為使用405奈米的藍光雷射來進 行資料讀寫動作 儲存容量 25 GB（單層）、50 GB（雙層）、100 GB（三層）、 128 GB（四層） CH01 電腦基本架構 55 使用藍光光碟來享受影音服務 視訊壓縮技術 可使用MPEG-2 新增MPEG-4 AVC、SMPTE VC-1 最高解析度可達19201080像素（稱為Full HD） 音訊編碼 可使用Dolby Digital（AC-3） 新增DTS-HD Master Audio等數種更高品質的編碼方式 CH01 電腦基本架構 56 藍光光碟機 CH01 電腦基本架構 57 可攜式儲存裝置 軟碟 5.25” (1.2MB) 3.5” (1.44MB) 圖片來源：Wikipedia CH01 電腦基本架構 58 11 mm 21.5 mm 32 mm 36 mm 可攜式儲存裝置 記憶卡 43 mm 24 mm 20 mm 15 mm CompactFlash Secure Digital (SD) miniSD microSD CH01 電腦基本架構 59 可攜式儲存裝置 記憶卡 CH01 電腦基本架構 60 可攜式儲存裝置 USB隨身碟 特點 外型輕巧 儲存容量大 隨插即用（Plug-and-Play） 介面 USB 2.0（480 Mbit/s） USB 3.0（10 Gbit/s） CH01 電腦基本架構 指紋掃描器 61 可攜式儲存裝置 固態硬碟 Solid-State Drive（SSD） 使用快閃記憶體做為儲存媒介，可用來取代硬碟機 與傳統硬碟機比較 優點：SSD為純電子式的元件，沒有使用磁性碟盤， 存取速度快、省電、抗震、無轉動噪音 缺點：儲存容量較一般硬碟小、製造成本非常高、使 用壽命較短 CH01 電腦基本架構 62 可攜式儲存裝置 行動硬碟 特點 大儲存容量、便於攜帶及 連接 常見介面 USB 2.0與USB 3.0 IEEE 1394（Firewire） Firewire介面 USB介面 external SATA（eSATA） CH01 電腦基本架構 63 1-4 輸出入裝置 CH01 電腦基本架構 64 輸入裝置 鍵盤 連接介面 有線：USB 無線：無線電、藍牙 CH01 電腦基本架構 65 輸入裝置 滑鼠 類型 滾輪滑鼠、光學滑鼠、雷射滑鼠 連接介面 有線：USB 無線：無線電、藍牙 CH01 電腦基本架構 66 輸入裝置 觸控板、軌跡球 觸控板 軌跡球 CH01 電腦基本架構 67 輸入裝置 觸控螢幕 實際上，觸控螢幕兼具了輸入功能與輸出功能 CH01 電腦基本架構 68 輸入裝置 聲音及影像輸入 耳機麥克風組 單眼數位像機 (DSLR) 消費型 數位像機 數位攝影機 網路攝影機 CH01 電腦基本架構 69 輸入裝置 聲音及影像輸入 平台式掃描器 CH01 電腦基本架構 結合掃描功能的 複合式事務機 70 輸出裝置 顯示器 三種常見的顯示器技術： 1. 陰極射線管（CRT） 2. 液晶顯示器（LCD） 3. 電漿顯示器（PDP） CRT CH01 電腦基本架構 LCD PDP 71 CRT顯示器 原理 電子槍發射電子束，經過磁場改變電子束的路徑，最後打在 塗滿磷化物的映像管上，磷化物便產生暫時性的發光 何謂掃描線？ 為了在映像管上形成一張完整的影像畫面，電子束會由左至 右掃出一條稱為掃描線的水平線，接著再掃出下一條掃描線 美規NTSC標準：一個畫面有525條掃描線，且每秒鐘產生 29.97張影像畫面 CH01 電腦基本架構 72 LCD顯示器 原理 藉由電場來改變每個畫素（Pixel）中液晶分子的旋轉排列 方向，以控制背板光源的光線經過液晶分子的透出程度 面板與背板光源 面板：例如TFT-LCD是由薄膜電晶體（Thin-Film Transistor）技術所製成的LCD面板 背板光源種類：舊式的冷陰極管（CCFL）光源、新式的發 光二極體（LED）光源 CH01 電腦基本架構 73 PDP顯示器 原理 面板由許多充滿惰性氣體的玻璃材質微小空間所組成 對PDP Cell施以高電壓之後，惰性氣體產生電漿效應放射出 紫外線，激發塗佈在玻璃上的紅、綠、藍色磷光質而產生可 見光 PDP vs. LCD PDP像素主動性自發光，而LCD則透過背板光源發光 PDP有較佳的對比效果、色彩飽和度較好、更廣的可視角度 較LCD顯示器耗電，且若畫面長時間停留不變容易有畫面烙 印的問題 CH01 電腦基本架構 74 常見的顯示器介面 DVI 數位視訊介面 HDMI 高清晰度 多媒體介面 CH01 電腦基本架構 VGA端子 (D-Sub) 75 輸出裝置 喇叭與耳機 5.1聲道喇叭 CH01 電腦基本架構 耳機 76 輸出裝置 印表機 三種常見的印表機： 1. 點陣印表機 2. 噴墨印表機 3. 雷射印表機 噴墨印表機 CH01 電腦基本架構 點陣印表機 雷射印表機 77 1-5 資料表示法 CH01 電腦基本架構 78 資訊數位化的好處 1. 方便性 可將數位資訊透過網路或可攜式儲存裝置，將資訊傳遞分享 給其他人，比傳統實體文件的傳遞要方便得多 2. 永久性 實體文件或物件的保存可能因時間、環境或人為因素造成資 料損毀或遺失，而將實體物件數位化以後，可輕易利用複製 方式來備份，而將資訊永久保存下來 3. 整合性 資訊數位化以後可透過電腦軟體將原本單調的各類資料加以 整合，產生出一種新的形式，例如多媒體簡報 CH01 電腦基本架構 79 進位系統 二進位（Binary）系統 以0、1兩個數字做為計數基底，逢2就進位 十進位（Decimal）系統 以0~9這10個數字做為計數基底，逢10就進位 十六進位（Hexadecimal）系統 使用了0~9以及A、B、C、D、E、F這16個數字為計數 基底，逢16就進位 CH01 電腦基本架構 80 進位系統 CH01 電腦基本架構 81 數值表示法 數值資料 整數（Integer）：不含小數 浮點數（Floating Point）：包含小數 如何表示「負」整數？ 最高位元表示法 2補數表示法 CH01 電腦基本架構 82 整數 最高位元表示法 最高位元（MSB）表示正負符號 MSB 0代表正號、1代表負號 以8位元為例： CH01 電腦基本架構 1 1 0 1 0 0 0 1 83 整數 2補數表示法 2補數表示法（2’s Complement）的最高位元亦表示 正負符號 0代表正號、1代表負號 但負值表示方式需先由正值取補數加1而得 例如75的二進位表示為01001011，則-75表示為： 步驟1. 01001011取補數 10110100 步驟2. 10110100+1 10110101 CH01 電腦基本架構 84 整數 2補數表示法 以8位元為例： CH01 電腦基本架構 85 浮點數表示法 IEEE 754標準 符號位元 指數偏移值 小數部分 圖片來源：Wikipedia CH01 電腦基本架構 86 文字表示法 數值資料用二進位的形式儲存於電腦中 同樣地，當我們輸入文字資料時，也必須被轉換成 二進位的形式來儲存，這樣的轉換稱為編碼 例如：假設使用的是ASCII編碼，則輸入V會被轉換為 8610，輸入=會被轉換為6110 CH01 電腦基本架構 87 常見的編碼系統 ASCII American Standard Code for Information Interchange 使用7個位元來表示128種字元 ASCII-8 使用8個位元來表示256種字元，其中前128種字元與ASCII一致 中文編碼系統 繁體中文：BIG5 簡體中文：GB Unicode 目的是為了涵蓋電腦所使用的所有各種文字與符號，例如包括英文、 中文、日文、拉丁文、希臘文、俄文等等，全部整合進來 使用16位元來代表65,536種字元 CH01 電腦基本架構 88 部分的ASCII編碼對照表 CH01 電腦基本架構 89