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第1章 計算機與硬體 本章大綱 電腦的定義 電腦的特色 電腦的歷史 電腦未來趨勢 電腦的種類 個人電腦與PC 電腦的五大單元 電腦各部元件介紹 2 電腦的定義 電腦是一種可以接受資料、命令，並加以 分析、過濾以迅速處理資料，然後輸出對 應結果的電子化設備，由於其作用與人腦 類似，所以一般稱為 「電腦」。 一部電腦包含 硬體 (Hardware) 軟體(Software) 兩者互相搭配，才能有效運作，完成要求的工作。 3 電腦的定義 硬體：組成電腦的各項機械、電子設備 軟體：用以控制電腦動作的指令、程式。 4 軟體程式碼 5 電腦的特色 處理資料速度快 一秒鐘內執行百萬個以上的加法運算 儲存容量大 一套32巨冊的大英百科全書=> 2 張光碟片 準確性高 傳輸資料容易 處理大量的資訊 提高工作效率 提供有用的資訊 6 電腦常用的時間單位 (Millisecond，ms)： 千分之一秒；1 ms = 10-3 s。 微秒 (Microsecond，μs )： 百萬分之一秒；1μs = 10-6 s。 奈秒 (Nanosecond，ns)： 十億分之一秒；1 ns = 10-9 s。 毫秒 7 電腦的儲存單位 (Bytes) 作為資料存取的基本單位。由於儲存的資 料量愈來愈龐大，可分為下列單位計量： 電腦的儲存設備基本上以位元組 1 Kilo Byte (KB) = 210 Bytes = 1024 Bytes 1 Mega Byte (MB) = 220 Bytes = 1024 KB 1 Giga Byte (GB) = 230 Bytes = 1024 MB 1 Tera Byte (TB) = 240 Bytes = 1024 GB 1 Peta Byte (PB) = 250 Bytes = 1024 TB 1 Exa Byte (EB) = 260 Bytes = 1024 PB 8 電腦的歷史 9 第一代 - 真空管電腦 (1946 ~ 1954) 1946 年，人類第一部電腦，稱為 ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) 美國賓州大學的 John W. Mauchly 與 J. Presper Eckert 以「真空管(Vacuum Tube)」為主要元件製造 共使用了約 18,000 個真空管，15,000 個繼電器 長 15 公尺，寬 9 公尺，重 30 噸 一秒鐘內大約能作 5,000 次加法運算 10 11 第一代 -第一部電腦 12 第一代 - 真空管電腦 (1946 ~ 1954) 1951 年第一部商用電腦 UNIVACI 誕生 為美國人口普查局處理人口統計的資料 前後共運轉了 12 年 1954 年台灣第一部電腦， IBM 650 (交通 大學於民國 50 年引進) 13 第一部商用電腦 UNIVACI 14 第二代 - 電晶體電腦(1954 ~ 1964) 1947 年，J. Bardeem、H. W. Brattain 及 W. Shockley (Bell 實驗室)發明電晶 體 電晶體比真空管=>耗電少、體積小、穩定 度又高 1954 年，Bell 實驗室使用電晶體製造了 世界上第一部電晶體電腦 加法運算的速度則可達到百萬分之一秒 (微 秒) 15 第二代 - 電晶體電腦(1954 ~ 1964) 16 第三代-積體電路電腦(1964~1971) 1964 年 IBM 公司，使用積體電路 (lntegrated Circuit，IC) 研製成功的 IBM 360 系列電腦，是第三代電腦的開始 運算速度則較電晶體電腦快了數百倍，可 達到 10-8 秒，價格更便宜 電腦不斷朝更快、更小、價格更低發展 17 第三代-積體電路電腦(1964~1971) 18 IBM System/360 19 第四代 - 微處理電腦(1971 ~ ) 第三代積體電路技術不斷的改良，延伸出高 密度 IC，稱為「超大型積體電路(Very Large Scale Integrated Circuit， VLSI)」 超大型積體電路維持積體電路體積小的優勢 原先只能容納數十個電子元件=>發展為可容 納數千至數萬個電子元件 20 VLSI 21 第四代 - 微處理電腦(1971 ~ ) 1971 年美國 Intel 公司成功的將電腦中負責 處理運算及控制部分的電子元件，設計到一 片 VLSI 晶片上，發展出 「微處理器 (Micro Processor)」，使電腦的體積大幅縮小，並 因而促成個人電腦 (Personal Computer， PC) 的推出，個人電腦的時代於是來臨 第四代電腦使用微處理器為電腦的核心，因 此又稱為「微處理電腦」。 22 第四代 - 微處理電腦(1971 ~ ) 23 積體電路 IC，在一片薄薄的晶 片中，可以容納電阻、電晶體、二極體等 電子元件，並因電路設計的不同，可以有 許多不同的功能。積體電路的規格依可容 納的電子元件數目分為以下幾類： 積體電路就是所謂的 圖表 1-30 積體電路的分類 24 未來的趨勢 電腦不斷的朝體積小、儲存容量大、速度 快、準確性高、功能強大、價格便宜等方 向發展 電腦的限制：人類無法解決的問題，電腦 也無法解決，問題必須被量化、有正確的 資料輸入、給予正確的解題方法 (程式、指 令)，才能產生正確的輸出結果 電腦沒有人類的「智慧」，無法自行思考、 創造知識 25 人工智慧 Alan Turing 提出， 並於 1956 年達特茅斯 (Dartmouth) 研 討會中經多位學者討論後定名 其主要的目的在於「讓電腦能夠像人類一 樣思考、推理及行動」 人工智慧發展最大的問題在於：人類如何 思考，若我們無法先了解人類的思考方式， 就無法讓電腦思考 人工智慧的概念最早由 26 人工智慧 人工智慧仍在研究發展的階段，但已有部 分研究的成果被廣泛使用，例如：專家系 統 (Expert System，ES)、遊戲理論 (Game Theory) 等 遊戲理論最著名的例子， IBM 於 1997 年 5 月打敗世界棋王的 「深藍 (Deep Blue)」 27 人工智慧 人工智慧應用的領域還包括： 類神經網路 (Neural Network) 機器學習 (Machine Learning) 模糊邏輯 (Fuzzy Logic) 影像辨識 (Pattern Recognition) 自然語言瞭解 (Natural Language Understanding) … 28 電腦的種類 電腦依其功能、速度、價格等，大致可區 分成以下 5 種： 微電腦 (Micro Computer) 工作站 (Work Station) 迷你電腦 (Mini Computer) 中大型電腦 (Main Frame) 超級電腦 (Super Computer) 29 微電腦 (MicroComputer) (MicroComputer) 即大 家所熟知的個人電腦，特色是體積小、 價格低、容易使用，廣受家庭、學校及 公司行號所喜愛 「微電腦」 30 工作站 (Work Station) 「工作站」 (Work Station) 外觀與個人電腦相似，但功 能與價錢超出個人電腦許多 內部構造和設計重點與個人 電腦也不盡相同 強調繪圖功能 或 大量資料 的處理能力 通常提供工程單位與科技研 究單位使用 31 迷你電腦 (MiniComputer) 「迷你電腦」 (Mini Computer) 通常在中小企業或學術 機構使用 比中大型電腦便宜，而 且較易維護，所以常成 為中大型電腦的替代品 32 中大型電腦 (MainFrame) 「中大型電腦」 (MainFrame) 用來處理相當大量 的資料，速度很快 一般是使用於較具 規模的單位或企業， 用以處理大量的資 訊 如銀行的金融處理、 航空公司的訂位系 統等 33 超級電腦 (SuperComputer) (SuperComputer) 主要用於高科技研發或軍事應用上，其 特色是具有超高速的運算能力 「超級電腦」 氣象局便需藉此特色來預測天氣 軍事單位用來計算飛彈彈道 研究單位用來做非常複雜的運算 Supercomputer site: http://www.top500.org 34 超級電腦 (SuperComputer) 高速電腦中心 御風者 25,600 compute cores ALPS — Acer AR585 F1 Cluster 35 認識個人電腦 (Personal Computer,PC) 目前使用最普遍的電腦，也由於個人電腦 的盛行，加快了我們在生活上、工作上的 資訊化腳步 依攜帶的方便性區分為： 桌上型電腦、筆記型電腦及攜帶型電腦(平 板電腦) 個人使用電腦主要分成： PC及 Apple 兩大主流 個人電腦 36 PC(Personal Computer) PC 最早由 IBM 公司所開發生產，後來因 為 IBM 授權給其他電腦廠商來製造，出現 了許多所謂的 PC 相容機種 個人電腦 => 又稱 IBM PC 個人電腦 CPU 主要製造商： Intel http://www.intel.com AMD http://www.amd.com 37 PC 個人電腦 38 蘋果電腦 蘋果電腦公司的 「Mac 電腦 」則是另一 類風行全球的個人電腦 蘋果電腦以極具親和力的圖形操作環境著 稱，因而成為許多繪圖、排版、美工設計 者的最愛 PC 個人電腦在國內極高的佔有率，所以仍 是學校、家庭、公司行號使用的首選 39 蘋果電腦 40 個人電腦的構成 (Computer System) 包含硬體 (Hardware) 和軟 體 (Software)兩大部分 電腦的硬體本身並不能單獨完成資料處理 的工作，它必須按照軟體程式的指示，硬 體與軟體兩者密切配合，才能發揮電腦系 統的運作機制。 一部完整的電腦系統 41 個人電腦的外觀 42 電腦的五大單元 電腦的硬體架構細分為五大單元： 輸入：Input Unit 控制：Control Unit 算術與邏輯：Arithmetic/Logic Unit 記憶：Memory Unit 輸出：Output Unit 43 電腦的五大單元 44 電腦的五大單元 Unit）： 電腦輸入資料的管道。當我們輸入資料時， 輸入單元會將這些資料先轉換成電子訊號， 然後才傳送至電腦內部處理 鍵盤、滑鼠、讀卡機、光筆、條碼閱讀機、 掃瞄器、數位相機等均屬輸入單元的設備 輸入單元（Input 45 電腦的五大單元 （Control Unit，CU）： 控制單元負責控制、協調電腦各單元間的 相互運作 電腦的所有作業程序、與其他單元間互動 的協調工作、資料的傳遞等，皆須透過此 單元來控制監督 控制單元 46 電腦的五大單元 算術與邏輯單元 （Arithmetic/Logic Unit，ALU） 此單元是電腦執行算術運算、邏輯判斷的 單元，可說是電腦的核心 當資料由輸入單元送至記憶單元後，電腦 透過程式的控制將資料讀入此單元進行運 算，最後才將運算的結果送回記憶單元 47 電腦的五大單元 記憶單元（Memory Unit）： 是電腦存放程式與資料的地方 包含主記憶體及輔助記憶體兩種 主記憶體是用來儲存處理中的程式和資料 輔助記憶體則是用來儲存暫時不用的大量程式和 資料 硬碟機、光碟機等是目前在個人電腦上使用相當 普遍的輔助記憶體 48 電腦的五大單元 輸出單元（Output Unit） 電腦輸出資料的管道 資料經過算術運算後，藉由輸出單元將運算的 結果顯示或列印出來 螢幕、印表機、喇叭、繪圖機均屬於輸出單元 的設備 49 電腦的主機世界 50 電腦的主機世界 Supply)及風扇： 電源供應器就是一切電腦動力的來源。充 足且穩定的供電，是一部電腦正常工作的 基本要件，而風扇則是散熱用的 中央處理單元 (CPU)： 是電腦的控制中樞，負責所有資料的運算 與邏輯判斷。處理器的速度會直接影響電 腦的效能，是所有組件中最重要的一部分 電源供應器(Power 51 電腦的主機世界 記憶體： 所有要執行的程式或是資料，都必須先載 入記憶體中，一般說來，記憶體多，系統 的操作愈流暢；如果不足則會使系統變得 較遲緩 主機板： 負責電腦所有設備之間的控制與資料傳輸， 所以每項裝置都必須直接或間接連接到主 機板上，包括 CPU、記憶體、顯示卡、螢 幕、鍵盤、滑鼠等週邊設備 52 電腦的主機世界 硬碟機： 存放應用程式或資料的儲存裝置，其儲存 容量較軟碟機還多上數千、數萬倍，同時 作業系統亦存放在硬碟機內 光碟機： 光碟片已經普遍成為安裝軟體與傳遞資料 的重要媒介，所以一台可讀/寫光碟片的光 碟機已成為電腦不可或缺的配備 53 CPU Central Processing Unit，中央處理器 整部電腦的靈魂 負責系統中資料的運算 (例如加、減、乘、 除) 與邏輯判斷 (例如大於、等於、小於) 等核心工作 電腦若沒有 CPU，那麼即便有再多的零組 件，都將如同廢鐵般無法正常運作！ 54 CPU的速度、核心數 CPU 速度就是指其處理指令的「執行 頻率」 ，也稱為「工作時脈」 早期以單位為 MHz (每秒百萬次) 一般 Celeron 950 就是指其速度分別為950 MHz GHz (每秒十億次) 速度愈高、執行效能愈快=>相對價格也愈 貴 多核心、多執行緒為目前主流 目前的速度均到達 55 主機板 A4 紙張大 小的印刷電路板，那就是主機板 (MotherBoard 或 Main Board) 主機板上的元件 在主機內部可以看到一張大約 CPU插槽 南、北橋晶片組 視訊、音訊、網路晶片組等 其他的IC、電容、電阻等 56 57 唯讀記憶體 唯讀記憶體（Read-Only Memory，ROM）是一種 半導體記憶體 特性：一旦儲存資料就無 法再將之改變或刪除，且 內容不會因為電源關閉而 消失 在電子或電腦系統中，通 常用以儲存不需經常變更 的程式或資料，例如 BIOS 58 隨機存取記憶體 （RAM，Random Access Memory，也稱作隨機存取記憶體）是一 個存放資料的設備，它是影響電腦執行效 率非常重要的元件 記憶體的功能 CPU 在進行運算時，會不斷的索取與產生 新的資料，CPU 本身並沒有足夠的儲存空 間來放置這些資料，因此必須藉由記憶體 來提供 記憶體 59 隨機存取記憶體 一旦 CPU 需要的資料在記憶體中找不到時，便 需從輔助記憶體 (如：硬碟、軟碟、光碟等儲存 媒體) 中載入到記憶體，再由記憶體交給 CPU 執 行。 記憶體是電子式的儲存裝置 優點：在於存取速度快、體積小 缺點：則是沒有電源就無法保存資料，因此當電 源關閉時，記憶體中的資料也會消失；下次再開 機的時候，必須從輔助記憶體中重新載入資料 60 隨機存取記憶體 記憶體的種類 市售的記憶體都是一片片包含記憶體晶片的電 路板，這種已經焊好的成品稱為記憶體模組 (Memory Module)，通常我們都直接稱它為 記憶體 DDR3(Double-Data-Rate Three Synchronous Dynamic Random Access Memory，第三代雙倍 資料率同步動態隨機存取記憶體) SDRAM，是目前 流行的記憶體產品 61 記憶體 62 介面卡 (Interface Card) 是安裝在主 機板擴充槽上的一種「電子電路板」 目前主機板大都已內建各種顯示、音訊、 網路等功能，若想讓電腦加強特定功能， 就可以再另外安裝介面卡 介面卡 63 介面卡 64 音效卡 65 音效卡插孔的顏色 PC99 規格音效卡的插孔上，都會標 註不同的顏色以代表不同的聲音訊號。它們分 別為： 青綠色：耳機、被動式喇叭音源輸出插孔。 淺藍色：音源輸入插孔。 粉紅色：麥克風輸入插孔。 黃色：MIDI / 搖桿連接埠。 像是喇叭等音效裝置的連接頭，也會有相對應 的顏色區分 目前符合 66 電 腦 主 機 後 面 的 連 接 埠 67 電腦的輸入設備 鍵盤 鍵盤 (Keyboard) 是電腦最基本的輸入設備， 用來輸入文字資料或指令 除了一般形式的鍵盤外，廠商還開發了各種附 加特殊功能，或是改變外型設計的鍵盤 例如外加手寫辦識裝置、分離式鍵盤、 Windows 專用鍵盤、及符合人體工學的鍵盤 等 68 鍵盤 104 個按鍵，包含： 主要輸入鍵、數字符號鍵、功能鍵、方向 鍵及特殊功能鍵： 目前常見的鍵盤共有 69 滑鼠 (Mouse) 是圖形操作界面最主要的 操作工具 藉由滑鼠在螢幕上任意移動指標，並透過 點選、拉曳等動作，來完成選取、複製、 啟動或關閉應用程式等的控制操作 滑鼠 滑鼠的種類 滑鼠依照其外型可以大致分為雙鈕滑鼠、滾 輪滑鼠和軌跡球滑鼠 3 種類型 70 滑鼠 71 掃瞄器 (Scanner) 是一種藉由光學掃瞄， 將圖片或文字稿件轉換為數位資料，以供 電腦儲存、處理的機器 掃瞄器 從外觀上來區分，掃瞄機有掌上型、平台 型、饋紙型之別，不過作業原理與功能都 是大同小異的 72 掃瞄器 73 數位相機 優點： 不用更換底片 還有攜帶方便 易於瀏覽 立即刪除重拍、在家取件 藉由影像處理軟體，可以對拍攝的數位相 片做各種編修、特殊效果等處理 近來屬於專業級的單眼數位相機 (DSLR) ，因為價格逐漸調降，也越來越普遍 74 74 數位相機 75 記憶卡的種類 76 電腦的輸出設備 常見的的輸出設備有：顯示器、印表機與喇叭 顯示器 顯示器（Monitor）就是我們一般所稱的 「螢幕」 就功用來看，類似家電裡的電視，都是將電子 訊號轉換為影像呈現出來的設備。 77 印表機 (Printer) 的功能是將電腦產生的 文字或圖像列印至紙張上 種類有點陣、噴墨和雷射等，而且噴墨和 雷射分別都有彩色及黑白的機種 印表機 78 點陣印表機 原理：在點陣印表機的印表頭上有數根撞針， 列印時，印表頭上的撞針經由電腦的控制前 後伸縮，以撞擊色帶印出字來。 缺點：列印時的噪音與較差的列印品質 優點；其「複寫」功能是噴墨或雷射印表機 所無法取代的 例如：公司行號所使用的「三聯複寫」發票 或簽收單據，就必須依靠撞針式印表機的針 點撞擊，才能夠做到複寫的功能 79 噴墨印表機 原理：噴墨印表機的印字頭上有數個墨水 噴頭，而每個噴頭前皆有一個電極，印表 時，電極會控制墨水噴頭的動作，將墨點 噴打在印表紙上 它的價位合理、列印速度快、低噪音、而 且還可以列印彩色文件等優點，使它成為 學生與電腦初學者的最愛 80 雷射印表機 原理：其工作原理是將每一行要列印出來的 墨點記錄在光傳導體的滾筒上，筒面經雷射 光照射過的位置吸住碳粉，再將附著碳粉的 筒面轉印到紙張上，如此即可將資料列印出 來 優點：雷射印表機一直算是高等級的產品， 它的列印品質、速度、與低噪音的表現，均 較其他兩種印表機優異 81 多功能事務機 結合影印、列印、掃 描、傳真等功能的事 務機器 因兼具多種方便功能 ，近年來頗受小型企 業、家庭使用 82 電腦的儲存設備 電腦中主記憶體中的資料會因關機而消失不 見，所以電腦還需要外部輔助儲存設備存放 CPU 處理完的結果，以便於日後隨時讀取 市面上常見的幾種外部儲存設備： 硬碟、光碟、隨身碟、記憶卡、磁帶 83 硬碟機 Disk）也是磁碟機的一種， 主要的功能是儲存資料 主要安裝在主機的內部 硬碟採無塵作業，將磁碟片、磁頭全部密 封在鐵皮盒子內，因此它的容量一出廠就 已經固定不可變更，不像軟碟機可藉由抽 換磁碟片的方式來更替儲存資料 馬達轉數、快取大小、容量大小等決定價 格高低 硬碟機（Hard 84 硬碟機 硬碟的容量指的是一 部硬碟中可以容納多 少資料量 目前市面上的硬碟都 是以 GB 為單位，大 約都在 500~1000GB 之間 1000GB(1 TB) 以上 的大容量硬碟愈來愈 普及 85 DVD 光碟機 DVD 光碟機通稱為 DVD-ROM，其外型和 CD-ROM 相似，都是用 來讀取各種光碟片 DVD-ROM 可以取讀容量 較大的 DVD 光碟片，也 可讀取一般 CD 光碟片， 讀取速度也比 CD-ROM 快，在價格上也相差不多， 所以目前以 DVD-ROM 為主流。 86 DVD 光碟機 87 88 隨身碟 隨身碟 所謂隨身碟是指可以隨身攜帶的磁碟機，其利用 Flash Memory (快閃記憶體) 做為儲存媒介，沒 有像硬碟般的機械構造，可避免攜帶時的碰撞、 擠壓，且外型輕薄短小是儲存資料的好工具 目前隨身碟至少均支援 USB 2.0 規格的隨身碟， 傳輸速度最高可達 480 Mbps USB 3.0規格可達 5G bps，是USB 2.0的10 倍 89 多媒體資料傳輸介面 USB介面(Universal Serial Bus) 熱插拔Hot plug in, 隨插即用Plug and play 標準1.0：1.5Mbps 2.0：480Mbps 3.0：4.8Gbps 規格 名稱 速度 USB 1.0/1.1 Low Speed 1.5Mbps USB 1.0/1.1 Full Speed 12 Mbps USB 2.0 High Speed 480Mbps USB 3.0 Superhigh Speed 4.8Gbps 90 多媒體資料傳輸介面 HDMI介面(High Definition Multimedia Interface)高解析多媒體介面 近來快速普及的一種數位顯示 介面技術 從DVI(Digital Video Interface)介面發展而來 最大特色是整合影音訊號一起 傳輸 2010年推出最新的1.4a版規 範，一舉將其頻寬倍增到 10.2Gbps，並支援4K x 2K 的解析度 91 4K2K 4K解析度（4K resolution）：新興 的數位電影及電腦視 訊的超高解析度標準 的面板 解析度：有 3840x2160和 4096×2160畫素2種 規格 「4K」的名稱得自其 水平方向的畫素數 92