第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 2-1 電腦的基本架構 2-2 個人電腦的主機 2-3 CPU 與主記憶體 第 3 章 電腦週邊設備的介紹與使用 3-1 輔助儲存設備 3-2 輸入 / 輸出設備 第 4 章 各類軟體的介紹 4-1 軟體運作原理 4-2 認識電腦軟體 4-3 常見的應用軟體 - 以自由軟體為例
第 5 章 作業系統的介紹與操作 5-1 作業系統功能 5-2 作業系統的分類 5-3 常見的作業系統 5-4 Windows 作業系統的基本操作 第 6 章 程式語言簡介及實例應用 6-1 認識程式語言 6-2 程式基本結構與實例應用 同場加映 將手機螢幕傳送到大螢幕 -HDMI WiDi AirPlay 認識台灣資訊產業的發展 - 代工與自有品牌 四加一 (4-plus-1) 核心 CPU 多核心 vs. 多 CPU 各類記憶體存取速度及容量比較 如何看懂電腦銷售傳單?- 避免當冤大頭 先進格式化 TB 級的大容量光碟沒有鍵盤也能打字 3D 影像原理特殊功能的印表機 從智慧型手機 平板看 3C 發展趨勢 多點觸控的原理與應用 APP 應用軟體個人電腦的啟動程序 32 與 64 位元的作業系統省電小秘訣 常見的副檔名 磁碟分割
第 2 計算機概論 章 電腦硬體架構 及功能介紹 電 腦朝速度快 體積小 價格低之趨勢發展, 使得個人電腦在學校 企業 政府機關等單位已相當普及, 且一般家庭也多半擁有個人電腦設備 ( 圖 2-1) 本章 將以個人電腦為例, 介紹電腦的基本架構 主機的外觀與內部組件 螢幕 我是萬事通, 萬事我皆通 印表機 電腦主機 喇叭 掃描器 手寫板 鍵盤 圖 2-1 個人電腦設備 滑鼠 2-1 電腦的基本架構 人們在玩數獨遊戲時, 須先瀏覽 ( 輸入 ) 表格中已有的數字, 再利用邏輯和推理, 思考及推測 ( 處理 ) 其他數字, 最後將數字填入 ( 輸出 ) 空格處 使用電腦來處理資料, 也需經過輸入 處理 輸出等過程, 這些過程是透過組成電腦基本架構的五大單元來完成 本節將介紹電腦的五大單元, 以及電腦運作過程中用來傳遞資料或訊號的匯流排 34
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 2-1.1 電腦的五大單元 電腦的組成單元依照其功能可概分為輸入 控制 算術 / 邏輯 記憶及輸出等單元 ( 圖 2-2) 控制訊號傳輸的方向資料 ( 含指令 ) 傳輸的方向 圖 2-2 電腦的五大單元 輸入單元 (Input Unit, IU): 是電腦接受指令及輸入資料的管道 鍵盤 讀卡機 滑鼠 光筆 掃描器 數位相機等均屬輸入單元的設備 控制單元 (Control Unit, CU): 用來控制及協調電腦各單元間的運作 電腦指令的解碼 資料的傳遞 及與電腦各單元間的協調等工作, 皆須在本單元的監督下進行 算術 / 邏輯單元 (Arithmetic/Logic Unit, ALU): 負責資料的運算與邏輯判斷 本單元與控制單元合稱為中央處理單元 (Central Processing Unit, CPU) 記憶單元 (Memory Unit, MU): 是電腦存放程式與資料的地方 電腦的主記憶體及硬碟機等設備均屬記憶單元的設備 輸出單元 (Output Unit, OU): 是電腦輸出運算結果的管道 顯示器 印表機 喇叭等設備均屬輸出單元的設備 35
計算機概論 電腦的儲存單位 電腦中最小的儲存單位稱為位元 (bit),1 個位元只能存一個 1 或一個 0 的二進位數字,8 個位元合 稱為 1 個位元組 (byte) 為了方便描述 計量電腦所儲存或處理的資料量, 我們常會使用以下幾種儲存單位來表示 : 1 Byte 位元組 = 8 bits 1 KiloByte (KB) 千位元組 = 1,024 Bytes = 2 10 Bytes ( 10 3 Bytes) 1 MegaByte (MB) 百萬位元組 = 1,024 KB = 2 20 Bytes ( 10 6 Bytes) 1 GigaByte (GB) 吉位元組 = 1,024 MB = 2 30 Bytes ( 10 9 Bytes) 1 TeraByte (TB) 兆位元組 = 1,024 GB = 2 40 Bytes ( 10 12 Bytes) 1 PetaByte (PB) 拍位元組 = 1,024 TB = 2 50 Bytes ( 10 15 Bytes) 1 ExaByte (EB) 艾位元組 = 1,024 PB = 2 60 Bytes ( 10 18 Bytes) 范逸臣演唱的 國境之南 歌曲, 存成 MP3 格式約佔用 5MB 儲存空間, 如果有一個 MP3 隨身聽的儲存容量為 8GB, 則該 MP3 隨身聽可儲存 1,600 首大小約為 5MB 的歌曲 (8 1,024 5 1,600) 2-1.2 資料傳送的管道 - 匯流排 匯流排 (bus) 是電腦各單元間進行資料或訊號傳送的管道 ; 在電腦的運作過程中, 不論是要處理的指令 資料, 或是運算後的結果, 都必須透過匯流排來傳送 匯流排上有很多的線路, 為了傳輸不同類型的資料或訊號, 通常會依線路所傳輸的訊號類型分為圖 2-3 所示的 3 類 ( 以 CPU 與記憶體間為例 ), 說明如下 : 控制匯流排 位址匯流排 圖 2-3 匯流排示意圖 資料匯流排 36
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 控制匯流排 (control bus): 是控制單元傳送控制訊號給其他單元, 及其他單元傳送狀態訊號給控制單元的通道, 在同一時間內其傳輸方向為單向 位址匯流排 (address bus): 在電腦主記憶體中, 每個用來儲存資料的位置都有一個編號, 稱之為位址 (address); 位址匯流排是中央處理單元傳送位址訊號給記憶單元的通道, 其傳輸方向為單向 資料匯流排 (data bus): 是各單元間傳送資料或指令的通道, 其傳輸方向為雙向 資料匯流排一次所能傳輸的資料量稱為匯流排的寬度 (bus width), 寬度越大表示電腦一次所能傳輸的資料越多, 電腦的效能也越高 定址 當程式執行時, 電腦系統會為該程式所需使用的指令及資料, 指定存放在主記憶體中的某些位置, 稱之為定址 (addressing) 電腦所能定址的最大記憶體空間視位址匯流排的排線數而定 ; 若 N 為電腦位址匯流排的排線數, 則該電腦所能定址的最大記憶體空間為 2 N Bytes 舉例說明如下: 1 若某部電腦的位址匯流排共有 32 條位址線, 則該電腦可定址的最大記憶體空間為多少? 解 32 條位址線表示電腦可定址的最大記憶體空間為 : 2 32 Bytes = 2 2 2 30 Bytes = 4 GB 2 若某部電腦所能定址的最大記憶體空間為 16MB, 則該部電腦的位址匯流排應有幾條位址線呢? 解 2 N Bytes = 16 MB = 2 4 MB = 2 4 2 20 Bytes = 2 24 Bytes;N = 24 所以該部電腦的位址匯流排應有 24 條位址線 1. 中央處理單元負責協調電腦運作及資料運算等工作 請問中央處理單元是由下列哪兩個單元所組成? (A) 輸入單元及控制單元 (B) 控制單元及算術 / 邏輯單元 (C) 輸入單元及輸出單元 (D) 算術 / 邏輯單元及記憶單元 2. 下列有關資料儲存單位的換算, 何者不正確? (A)1Byte = 1,024Bits (B)1KB = 1,024Bytes (C)1MB = 1,024KB (D)1GB = 1,024MB 3. 匯流排是用來傳送或接收資料 指令的通道 37
計算機概論 2-2 個人電腦的主機 個人電腦的主機外觀, 隨廠牌的不同而有所差異 ( 圖 2-4), 它的外部通常配有許多的按鈕 燈號及插孔 ; 而其內部則包含有主機板 介面卡 儲存設備等 圖 2-4 知名廠牌的個人電腦主機 (courtesy of HP) 2-2.1 主機的外部 機殼是用來固定及保護主機內部元件的裝置, 它的正面通常設有幾個重要的操作按鈕, 而背面則提供連接外部週邊設備的插孔, 分別介紹如下 主機正面主機正面的面板上設有各種燈號及按鈕 ( 圖 2-5) 燈號用來顯示目前電腦運作的狀態, 可藉以判斷電腦目前的執行狀態 ; 按鈕則可用來開 關或重新啟動電腦 另外, 主機正面通常也提供有 USB 連接埠 喇叭或耳機插孔 記憶卡插槽等, 可用來連接數位相機 網路攝影機 麥克風 耳機 記憶卡 等電子產品 38
電源開關按鈕 ( 在上方 ) 第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 電源指示燈 DVD 燒錄機 USB 連接埠支援隨插即用及熱插拔的功能 熱插拔功能是指在不用關 機的情況下, 就可直接插 上使用或拔除週邊設備的功能 耳機 ( 喇叭 ) 插孔 記憶卡插槽 硬碟讀寫資料時, 指示燈會持續亮起或閃爍 (courtesy of HP) 圖 2-5 個人電腦主機正面 39
計算機概論 主機背面 主機的背面 ( 圖 2-6) 除了電源插孔 電壓調整鈕之外, 還佈滿了連接輸入 (Input) 與輸出 (Output) 設備的各式插孔, 這些插孔稱為 I/O 連接埠 電腦就是透過 I/O 連接埠來與外部硬體裝置 ( 如螢幕 印表機 ) 溝通 1 2 電源插孔 電源線銜接家用電源的插座 麥克風輸入 (MIC in) 3 PS/2 鍵盤 4 PS/2 滑鼠 接掃描器 數位相機 隨身碟 滑鼠 印表機 等 接螢幕 投影機 5 6 USB DVI 7 D-Sub (VGA) 40 8 HDMI
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 9 10 電壓調整鈕切換 110V 或 220V 電源輸入音源輸出 (line out) 11 12 音源輸入 (line in) 網路埠 (RJ-45) 連接喇叭或耳機 接外部音源裝置, 例如 MP3 隨身聽 錄音筆 接網路設備, 例如交換器 路由器 13 並列埠 (LPT port) 接印表機 14 串列埠 (COM port) 接符合 RS-232C 通訊標準的數據機 並列 vs. 串列 數位資料的傳輸有並列及串列兩種, 前者一次可同時傳輸多個位元 ( 如並列埠 ); 後者一次只能傳一個位元 ( 如串列埠 ) 詳細說明請參照本書第 12-1.4 節 圖 2-6 個人電腦主機背面 41
計算機概論 以下介紹 USB D-Sub DVI HDMI 以及部分新款主機常會提供的 DisplayPort esata Thunderbolt 等連接埠 USB USB(Universal Serial Bus, 通用串列匯流排 ) 是現今應用相當廣泛的連接埠, 它具有隨插即用 (Plug and Play,PnP) 熱插拔(Hot swapping) 等功 能, 還可作為週邊設備充電的連接埠 常見的隨身碟 讀卡機 印表機 滑鼠 行動電源 等設備 ( 圖 2-7) 都提供有 USB 介面 USB 供電的小冰箱 USB 介面的隨身碟 行動電源 用來供 3C 產品 ( 如手機 ) 充電, 體積小, 方便在外出時延長 3C 產品的續航力 圖 2-7 使用 USB 介面的設備 (http://www.toulus.com/) USB 常見的版本為 USB 2.0 及 3.0,USB 3.0 的傳輸速度較快 ( 約 625MB/s), 插頭顏色為藍色, 且其連接埠 ( 即插座 ) 可向下相容 2.0 的插頭 USB 除了標準的 A 型規格之外, 為了適用於不同的產品, 還有許多大小不一的規格, 如表 2-1 所示 表 2-1 類型 USB 的連接埠與插頭規格 USB 2.0 連接埠與插頭 USB 3.0 連接埠與插頭 使用的設備 A 型 電腦 行動電源 B 型 Mini-B Micro-B Micro-AB - 掃描器 印表機 RoCar 手機 數位相機 讀卡機 MP3 隨身聽手機 平板電腦 外接式硬碟 讀卡機 42
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 D-Sub DVI HDMI DisplayPort D-Sub(VGA) DVI HDMI DisplayPort( 圖 2-8) 皆是傳輸視訊的連接 埠, 可用來連接電腦螢幕 電視 投影機等設備 其中 D-Sub 是早期開發的連接埠, 傳輸速度較慢, 是以類比形式來傳輸訊號, 目前已逐漸被 DVI HDMI 取代 HDMI 與 DisplayPort 是較新的連接埠規格, 兩者皆可傳輸影像及聲音訊號, 常用來連接數位電視及藍光播放機等, 其中 DisplayPort 可同時串接多台螢幕 ( 如將多台螢幕組成電視牆 ) 傳輸類比訊號 傳輸數位訊號 D-Sub DVI HDMI DisplayPort 圖 2-8 D-Sub DVI HDMI DisplayPort 連接埠的插頭 可同時傳輸影像及聲音 將手機螢幕傳送到大螢幕 -HDMI WiDi AirPlay 覺得手機 平板電腦等行動裝置的螢幕太小, 看影片或分享照片不方便嗎? 若這些裝置內建有 HDMI 連接埠 ( 如 Sony 的智慧型手機 ), 即可使用 HDMI 線與電視連接, 將裝置的畫面輸出至電視 ( 或電腦螢幕 ) 觀賞 也有廠商推出無線輸出的技術 ( 如 Intel 的 WiDi 蘋果公司的 AirPlay 等 ), 只要在電視端安裝無線輸出的接收器, 即可透過內建有此種技術的裝置, 將畫面輸出至電視 ( 圖 2-9) 圖 2-9 利用 AirPlay 輸出畫面的範例 (http://www.apple.com/) esata esata( 圖 2-10) 是 SATA 連接埠延伸出來的外接式規格, 支援熱插拔功能, 主要設置在硬碟外接盒 外接式硬碟 外接式燒錄機等設備 圖 2-10 esata 的標誌 43
計算機概論 目前新款筆記型電腦所提供的 esata 連接埠, 多屬於 esata/usb combo( 俗稱 Power esata) 連接埠 ( 圖 2-11), 可兼容 esata USB 2.0 插頭 (http://www.notebookcheck.net/) 圖 2-11 esata/usb combo 連接埠 Thunderbolt Thunderbolt( 圖 2-12) 是 Intel 與蘋果公司共同研發的連接埠, 可用來連接螢幕 外接式硬碟 外接式顯示卡等 它具有熱插拔 隨插即用 串接多台設備, 及提供週邊設備電力等功能, 還能雙向同步傳輸資料和視訊, 且速度高達 1.25GB/s, 因此有電腦廠商看好 Thunderbolt 未來可能取代 DVI USB 等連接埠, 成為電腦對外唯一的連接埠 圖 2-12 Thunderbolt 連接埠 表 2-2 為各式連接埠的比較 表 2-2 各式連接埠的比較 連接埠名稱傳輸速度可接週邊設備熱插拔供電 可連接設備數 PS/2 1.5 MB/s 鍵盤 滑鼠 1 並列埠 1.5 MB/s 印表機 掃描器 1 44 USB 2.0 60 MB/s 鍵盤 滑鼠 印表機 掃描器 數位相機 隨身碟 外接式光碟機 外接式硬碟 等 127 接下頁...
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 連接埠名稱傳輸速度可接週邊設備熱插拔供電 可連接設備數 USB 3.0 625 MB/s 同 USB 2.0 127 註 IEEE 1394b (FireWire 800) 100 MB/s 外接式硬碟 外接式光碟機 數位攝影機 63 HDMI 1,275 MB/s esata 300 MB/s 螢幕 電視 音響硬碟外接盒 外接式硬碟 外接式燒錄機 1 15 DisplayPort 1,350 MB/s 螢幕 Thunderbolt 1.25 GB/s 螢幕 外接式硬碟 外接式顯示卡 1 個以上 ( 依顯示卡效能而定 ) 6 2-2.2 主機的內部 主機的內部有主機板 (motherboard) 電源供應器 硬碟 光碟機 等設備 ( 圖 2-13) 以下將介紹主機板以及安插在主機板上的重要元件 主機板 電源供應器 光碟機 硬碟 圖 2-13 個人電腦主機的內部 註 : IEEE 1394 連接埠的規格可分 IEEE 1394a IEEE 1394b IEEE 1394c, 目前較常見的為 IEEE 1394b 45
主機板 主機板是一塊用來連接電腦相關元件的印刷電路板, 主機板上除了佈滿電路之外, 還有許多配置在其上的插槽, 可用來安插介面卡和儲存設備等 ( 圖 2-14) 1 PCI-E x1 可插 PCI-E x1 介面的擴充卡, 如電視卡 2 電池 電池的電力可使 CMOS 晶片 ( 記錄電腦的系統日期 硬碟型號等基本設定 ) 內的資料, 不會因電源關閉而消失 3 PCI 可插 PCI 介面的擴充卡, 如網路卡 音效卡等 4 基本輸入 / 輸出系統 (Basic Input/Output System, BIOS) 儲存電腦的開機程式, 並負責自我測試 載入作業系統或設定 CMOS 內容 5 註晶片組 負責掌控主機板上的中低速裝置, 如 SATA PCI-E x1 USB 等設備 6 SATA 插槽 可接 SATA 規格的硬碟機 光碟機等 註 : 舊款主機板的晶片組分為南橋與北橋 2 種, 北橋負責掌控高速裝置 ( 如記憶體 ); 南橋負責掌控中低速裝置 ( 如 SATA) 新款主機板大都已改為單一晶片組設計, 僅保留南橋的功能, 北橋的功能則整合至 CPU 中 46
主機板 1. 不同規格的主機板可搭配的 CPU 記憶體種類可能有所不同, 一般在主機板的包裝盒上通常會標示支援的 CPU 型號及記憶體種類, 在購買主機板時需多加注意 2. 市售新款主機板多已不提供軟碟機插槽, 因此軟碟機已無法在新款主機板中使用 7 PCI-E x16 可插 PCI-E x16 介面的擴充卡, 如顯示卡 8 CPU 插槽 9 記憶體插槽 可插隨機存取記憶體 (RAM) 10 IDE 可接 IDE 規格的硬碟機 光碟機等 11 電源插槽 連接電源接頭 圖 2-14 主機板上的插槽和元件 47
計算機概論 主機板上的插槽 主機板上的插槽依其用途不同, 可概分為用來安插介面卡的插槽, 及用來連接輔助儲存設備的插槽兩大類 表 2-3 安插介面卡的插槽 : 又稱擴充槽, 可用來安插各種不同的介面卡, 例如顯示卡 音效卡等, 以擴充電腦的功能 ; 常見的擴充槽有 PCI(Peripheral Component Interconnect) 及 PCI-E(PCI Express) 等 2 種介面規格 ( 表 2-3) 介面規格用途規格速度 (MB/Sec) PCI PCI-E PCI 及 PCI-E 介面規格 連接介面卡 ( 如音效卡 網路卡等 ) 連接介面卡 ( 如顯示卡 網路卡等 ) PCI 1.0 133 PCI 2.x 533 註 PCI-E 2.0 N 500(1 個傳輸通道的速度 ) PCI-E 3.0 N 1,000(1 個傳輸通道的速度 ) 連接輔助儲存設備的插槽 : 常見的插槽有 IDE SATA 及 SCSI 等介面規格 ( 表 2-4) 表 2-4 IDE SATA SCSI 介面規格 介面規格 用途 規格 IDE(Integrated Drive Electronics) 速度 (MB/Sec) 接硬碟及光碟機 Ultra ATA/133 133 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) SCSI(Small Computer System Interface) 接硬碟及光碟機接硬碟 ( 通常伺服器的主機板上才有此種插槽 ) SATA-1 150 SATA-2 300 SATA-3 600 SCSI-1 5 SCSI-2 80 SCSI-3 160 Ultra 320 SCSI 320 Ultra 640 SCSI 640 註 : PCI-E 2.0 N 及 PCI-E 3.0 N 中的 N 用來代表傳輸通道數, 傳輸通道數有 1 2 4 8 12 16 32 等 7 種規格 ; 通道數越多, 傳輸速度越快, 例如 PCI-E 2.0 1 的傳輸速度為 500 MB/Sec PCI-E 2.0 2 的傳輸速度為 1,000 MB/Sec, 以此類推 48
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 常見的介面卡安裝在主機板插槽上的電路板, 統稱為介面卡, 例如顯示卡 音效卡等 市售的主機板通常內建有顯示 音效 網路等介面卡的功能, 這類主機板稱為 整合式 (All-in-One) 主機板 使用整合式主機板可省去安插介面卡的麻煩, 但若有特殊需求時, 可購買功能較強的介面卡來安裝 ; 例如若想要提升電腦遊戲畫面的 3D 顯示效果, 可考慮購買價格較高的高階顯示卡, 圖 2-15 為 4 種常見的介面卡 顯示卡 螢幕顯示影像訊號的裝置 使喇叭 耳機發出聲響的裝置 音效卡 (courtesy of ASUS) 網路卡 上網必備的裝置, 分有線 無線兩種 圖 2-15 常見的介面卡 電視卡 接收及處理電視訊號的裝置 1. 在個人電腦的主機板上, 下列哪一個元件是用來存放系統開機及正常運轉時所需的初始值 ( 如日期 時間 硬體型態及種類 )? (A)CMOS (B)RAM (C)CPU (D)IDE 2. 主機板中的哪些介面插槽, 需要使用排線才能連接其它元件 ( 如硬碟 光碟 )? (A)PCI PCI-E (B)IDE SATA (C)PCI SCSI (D)IDE PCI 3. 卡可用來將數位訊號轉換成類比訊號並傳送至喇叭, 以發出聲音 49
計算機概論 認識台灣資訊產業的發展 - 代工與自有品牌 我國資訊產業的發展始於 1970 年代 ; 政府先後成立工研院 資策會及資訊科學園區 ( 如新竹科學園區 ), 大力推動資訊產業的發展 經過多年的努力, 目前台灣已成為資訊產業的大國 台灣的資訊產業原以代工為主, 例如 Apple 的 iphone 手機 Google 的 Nexus 平板電腦, 都是由台灣代工製造及組裝 根據資策會統計註 1, 台灣代工的筆電 主機板 電視盒 網路卡等產品, 全註 2 球市佔率皆高達 90% 以上, 每年創造上兆元的產值, 因而贏得 代工王國 的美名 表 2-5 所列是國內知名的代工大廠及其代工產品 表 2-5 國內知名代工大廠 公司名稱台積電聯電鴻海仁寶廣達 代工產品晶圓 ( 圖 2-16) 代工 iphone ipad itv VIZIO 大尺寸電視 Chromebook 筆電 MacBook 筆電 HP 筆電 Kindle Fire 平板電腦 是製作 CPU 的材料 (http://news.mydrivers.com/) 圖 2-16 晶圓外觀 近年來, 我國資訊廠商也積極發展自有品牌, 因此台灣品牌產品在國際的知名度大增 例如 htc 手機 ( 圖 2-17) acer 與 ASUS 筆電, 皆是國際知名的產品, 可說是另類的 台灣之光 表 2-6 所列是 2012 年經濟部公布國內品牌價值前 3 名的公司 表 2-6 國內品牌價值前 3 名 公司名稱品牌標誌品牌價值 宏達電 27.53 億美元 宏碁 16.76 億美元 華碩 16.62 億美元 圖 2-17 htc 手機 (courtesy of htc) 註 1: 資料來源 - 資策會 2010 年 3 月 台灣資通訊產業發展現況 報告 註 2: 資料來源 - 資策會 2011 年新聞 http://mic.iii.org.tw/aisp/pressroom/press01_pop.asp?sno=280&type1=2 50
第2章 電腦硬體架構及功能介紹 2-3 CPU 與主記憶體 人類是 萬物之靈 主因在於我們有顆能思考 計算 記憶 的 " 大腦 " 電 腦也有 " 大腦 " CPU 讓它也能榮登 萬機 機器 之王 寶座 2-3.1 中央處理單元 CPU CPU 是電腦進行資料處理及運算的主要元件 也是整部電腦運作的核心 電腦處 理速度的快慢 關鍵就在於 CPU 的效能 CPU 的組成 CPU 主要是由控制單元與算術 / 邏輯單元所組成 圖 2-18 另外用來存放運算 時 所 需 使 用 的 指 令 及 資 料 之 暫 存 器 register 快 取 記 憶 體 cache memory 等 也是 CPU 內部的重要元件 資料的算術運算與 邏輯判斷 存放最常被用到 的資料或指令 פ ڥ Ԇ Ꮲ ᡝ ڙ ϯ ω ڐ 微處理器 1971年 Intel公司將電腦的控制單 元與算術 / 邏輯單元整合在一塊稱 為微處理器 microprocessor 的 晶片 因此個人電腦的CPU常被稱 為微處理器 控制 協調電腦各 單元間的相互運作 存放運算中的資料 以 及記錄程式執行的狀態 圖 2-18 CPU 的組成示意圖 控制單元 算術 / 邏輯單元 控制單元的功能是控制與協調電腦各單元間的運 作 算術 / 邏輯單元則負責資料的運算與邏輯判斷 此兩單元已在本章第 1 節作 過說明 51
計算機概論 暫存器 : 用來暫存 CPU 運算過程中的資料 指令 位址 程式執行的狀態及 運算的結果 現今的 CPU 中都設有許多個暫存器, 每個暫存器各有不同的功 能, 表 2-7 所列為常見暫存器的用途說明 表 2-7 常見的暫存器 名稱 英文 用途說明 累加器 accumulator 存放運算的結果 位址暫存器 address register 存放指令或資料在主記憶體中的位址 一般用途暫存器 general-purpose register 暫存一般運算資料及位址資料 指令暫存器 instruction register 暫存正在執行中的指令 程式計數器 program counter 存放下一個要執行的指令位址 旗標暫存器 flag register 存放 CPU 執行指令後的各種狀態 快取記憶體 : 存取速度比主記憶體快, 可用來存放常被 CPU 使用到的資料或 指令, 以減少 CPU 到主記憶體讀取資料或指令的次數, 提昇電腦的處理效 能 但因其製作成本昂貴, 故快取記憶體容量通常不大 快取記憶體運作的原理是 :CPU 到主記憶體擷取資料時, 會將一整個區塊的 連續資料複製到快取記憶體中, 當 CPU 需要再使用此一區塊中的資料時, 即 可直接到快取記憶體中讀取 快取記憶體常分為 L1 L2 L3 等 3 種, 其中 L1 L2 位於 CPU 內部 ;L3 則 註位於主記憶體與 CPU 之間 圖 2-19 為 CPU 至不同快取記憶體的存取速度比 較 快 註 : 部分新款 CPU, 已將 L3 內建在 CPU 中 慢速圖 2-19 CPU 到 L1 L2 L3 之間的存取速度比較 52
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 假設某位老師要計算好幾班同學的學期總成績, 他只有紙 筆可用, 如右圖所示 老師用的計算紙 成績單, 及放置其他班成績單的公事包, 就如同電腦中各類不同的記憶體 其他班的成績單 主記憶體 : 距離最遠, 取用最慢, 容量最大 快取記憶體 A 班成績單 計算紙 暫存器 : 距離最近, 取用最快, 容量最小 Step 1 控制單元從記憶體中擷取指令及資料 Step 4 控制單元將運算或處理結果存至暫存器或記憶體 CPU 的運作憶單元記體CPU 執行一個指令的過程稱為一個機器週期 (machine cycle), 主要包含擷取 解碼 執行 儲存等 4 個步驟 ( 圖 2-20) 其中擷取及解碼的步驟合稱為指令週期 (Instruction cycle), 又稱擷取週期 (fetch cycle); 執行及儲存的步驟則合稱為執行週期 (Execution cycle) 儲存 擷取 執行解碼控制 算術 / 邏輯單元 Step 2 控制單元將指令解碼並將運算所 需的資料, 傳送到算術 / 邏輯單元 Step 3 算術 / 邏輯單元進行資料的運算 圖 2-20 CPU 執行指令的步驟示意圖 每一個機器週期的執行時間, 通常只需幾百萬分之一秒 ( 甚至更短 ), 因此也有人使用 MIPS(Million of Instructions Per Second, 每秒百萬個指令 ) 為單位, 來表示 CPU 每秒可執行多少百萬個指令 MIPS 值越高, 表示 CPU 執行的速度越快 53
計算機概論 個人電腦常見的 CPU Intel 與 AMD 是生產個人電腦 CPU 的主要廠商, 生產有許多不同效能等級的 CPU, 例如適用於文書處理 網頁瀏覽等需求的一般 CPU; 適用於玩 3D 遊戲 進行影音處理的較高階 CPU 等 隨著筆記型電腦 (Notebook) 平板電腦(Tablet PC) 等可攜式設備日趨普及,CPU 廠商也針對可攜式設備設計專用的 CPU, 例如輕省筆電 (Netbook) 使用的 Atom 系列 Ultrabook 使用的 Ivy Bridge 系列 ( 圖 2-21) 平板電腦使用的 Tegra 系列等 CPU 內建 GPU 的 CPU GPU(Graphics Processing Unit, 繪圖處理器 ) 是負責繪圖運算的處理器, 常整合至顯示卡或主機板上, 目前則多趨向整合至 CPU( 稱整合型 CPU), 以提供更佳的繪圖運算效能 (http://www.hardcore-hardware.com/) 圖 2-21 Ultrabook 使用的 CPU 多核心 CPU 多核心 CPU 是指含有多個運算核心的 CPU, 例如四核心 CPU 即含有四個運算核心, 目前 十六核心 的 CPU 已問世 我們可以透過 CPU 的型號或規格表, 來瞭解 CPU 的核心數 例如 AMD 生產的 CPU 可透過型號來判斷其核心數, 如型號為 Phenom Ⅱ X6 其核心數為六核心 Phenom Ⅱ X4 其核心數為四核心 ; 而 Intel CPU 的核心數則需連上 Intel 網站來查詢, 才能得知 四加一 (4-plus-1) 核心 CPU 部分平板電腦 手機等行動裝置會採用 四加一 (4-plus-1) 核心 的 CPU, 這種 CPU 除了具有一般的四核心之外, 還包含有第五個低功耗的省電核心, 這個省電核心的設計是專門用來處理不需強大運算能力的工作 ( 如待機 播放音樂 ), 以節省電力耗用, 延長電池的續航時間 54
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 多核心 CPU 的運作原理 多核心 CPU 內的多個運算核心, 可同時進行不同的運算工作, 因此多核心 CPU 的效能較單核心 CPU 高 圖 2-22 是以四核心 CPU 為例, 說明其運作原理 將 4 個獨立的運算核心 ( 包含控制單元 算術 / 邏輯單元 快取記憶體及暫存器 ) 整合在一個 CPU 8 + 1 3 4 5 + 1 + 7 2 + (2*4) + (7-2) + (4/4) + (1+6) = 21 假設每 1 個核心在一時間內 ( 如機器週期 ) 只能進行 1 個運算, 四核心執行 3 次即可完成運算, 單核心則需花用更多的時間才能完成 ( 如右 ) 註時間 C1 C2 C3 C4 C5 單核 2 * 4 =8 7-2 = 5 4 / 4 = 1 1+6=7 8+5=13 四核 2 * 4 =8 7-2 =5 4 / 4 =1 1 + 6 =7 8 + 5 = 13 1 + 7 = 8 13 + 8 = 21 算完囉! 還有好多要算 圖 2-22 四核心 CPU 及運作示意圖 多核心 vs. 多 CPU 若以廚房來比喻 CPU, 多核心 CPU 就像是一個廚房裡有多位廚師, 可同時烹煮多道菜, 烹煮速度自然比一個廚房裡只有 1 位廚師 ( 單核心 ) 來得快 目前市售個人電腦多半以多核心為主 ; 而伺服器專用機種則多半配有多個 CPU 如果電腦安裝有多顆 CPU, 且每顆 CPU 皆為多核心, 那麼運算效能就會更佳 註 : C1 代表第 1 個 clock( 時脈 ),C2 代表第 2 個 clock, 以此類推 55
計算機概論 CPU 的規格 在購買 CPU 時, 我們應注意標示在產品包裝盒上的名稱 速率及快取記憶體等主要規格的標示 ( 圖 2-23): 名稱製造廠商及產品型號 速率 CPU 的時脈頻率 快取記憶體內建的快取記憶體容量 i7-3770k, 3.50 GHz, 8MB Cache, LGA1155, 77W Product Code: BX80637I73770K S-spec: SR0PL U P C 7 35858 24143 4 E A N 5 032037 036146 MM#: 920492 S/N: 35211014A1598 Intel(R) Core(TM) i7-3770k Processor 圖 2-23 CPU 包裝盒上的規格標示 Batch#: L214C112 Made in Malaysia 名稱 : 是 CPU 的製造廠商及產品型號, 例如 Intel(R) Core(TM) i7-3770k Processor; 其中 Intel 代表廠商的名稱, 其餘的字元代表產品的型號 速率 : 是 CPU 的時脈頻率, 單位為 GHz(Giga Hertz, 十億赫茲 ), 例如 3.5GHz 的 CPU, 表示其內部的石英震盪器每秒會產生 35 億次的震盪 ( 圖 1 2-24), 每震盪一次所花用的時間約為 0.29 奈秒 ( 秒 ) 石英震 3.5 10 9 盪器產生一次震盪所花用的時間稱為時脈週期 (clock cycle), 時脈週期越短,CPU 的處理速度越快 1 秒內有 35 億次震盪 單元記憶擷取 儲存 執行解碼控制 單元 體算術 / 邏輯 圖 2-24 3.5GHz 的 CPU 時脈頻率示意圖 1 次震盪 圖 2-20 中,CPU 執行一個指令通常需花用 1 次或多次震盪的時間 快取記憶體 : 目前市售的 CPU 通常都內建有 1MB 12MB 的快取記憶體 56
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 電腦領域常用的時間單位 由於電腦處理資料的速度非常快, 若使用時 分 秒等時間單位來描述電腦運算的時間, 將會很不方便 ; 因此在電腦領域中, 通常使用比秒更小的時間單位來表示或計算電腦運算的時間 毫秒 (millisecond, ms) : 千分之一秒 ;1 ms = 10-3 second 微秒 (microsecond, µs) : 百萬分之一秒 ;1 µs = 10-6 second 奈秒 (nanosecond, ns) : 十億分之一秒 ;1 ns = 10-9 second 披秒 (picosecond, ps) : 一兆分之一秒 ;1 ps = 10-12 second 影響 CPU 效能的因素 影響 CPU 效能的因素, 除了核心數之外, 還包含時脈頻率 字組的大小 快取記憶體的大小 採用的指令集等因素 : 表 2-8 時脈頻率 :CPU 的時脈頻率是衡量電腦執行速率的主要指標, 通常 CPU 的時脈頻率越高,CPU 在每一單位時間所能處理的指令數量就越多, 電腦執行速度也就越快 字組的大小 : 字組 (word) 是 CPU 一次能處理的資料量, 也就是一般用途暫存器的位元數註 1, 單位為位元 (bit); 一般來說, 字組越大的 CPU 處理效能越好 市售的 64 位元電腦, 即是指 CPU 的字組大小為 64 位元 快取記憶體的大小 : 快取記憶體是設計用來存放常被 CPU 使用的資料或指令, 容量越大,CPU 的執行效能通常越高 採用的指令集 : 指令集是指 CPU 所能執行的所有運算指令的組合, 可概分為 複雜指令集 (Complex Instruction Set Computing, CISC) 及精簡指令集 (Reduced Instruction Set Computing, RISC) 兩大類 表 2-8 所列是這兩大類指令集的比較 CISC vs. RISC 種類型號代表指令長度指令集數目執行速度 CISC Intel Core i 系列較長 ( 長度不一 ) 較多較慢 註 2 RISC Apple A 系列較短 ( 長度固定 ) 較少較快 註 1: 字組的大小, 早期常以資料匯流排寬度來決定, 其實應該以一般用途暫存器的位元數來衡量才正確 註 2: RISC 的 CPU 在執行內建指令的速度雖然較快, 但若執行到非內建指令時, 則需組合數個內建指令, 執行速度可能反而較慢 57
記憶體計算機概論 2-3.2 主記憶體 在日常生活中, 對於需要短暫記憶的事物 ( 如某個商品的價格 ) 通常會默記在大腦中, 對於需要長久記憶或大量的事物 ( 如全班同學的聯絡電話 ), 則通常會記錄在筆記本中 記憶體是電腦存放程式和資料的地方, 可分為用來儲存暫時性資料的主記憶體 ( main memory, 又稱內部記憶體 ), 與用來儲存長久性資料的輔助記憶體 (secondary memory, 又稱外部記憶體 ) 兩大類 ( 圖 2-25) 主記憶體 輔助記憶體 圖 2-25 記憶體的分類 RAM ROM 軟碟硬碟光碟隨身碟 DRAM SRAM CD DVD 藍光 主記憶體分為隨機存取記憶體 (Random Access Memory, RAM) 及唯讀記憶體 (Read Only Memory, ROM) 兩大類, 分別說明如下 有關輔助記憶體的部分, 將在下一章介紹 隨機存取記憶體隨機存取記憶體用來儲存電腦正在執行中的程式和資料, 當電腦關機時, 這些資料就會隨著電源一起消失, 因此又稱為揮發性記憶體 (volatile memory) 市售的隨機存取記憶體大多製作成記憶體模組 (RAM module) 的型式 ( 圖 2-26) 筆記型電腦用 一顆記憶體晶片 桌上型電腦用 圖 2-26 記憶體模組 條狀的銅色金屬即為針腳 (pin), 插入插槽後與主機板的相關電路連接 (courtesy of 旗標 ) 58
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 隨機存取記憶體依製作元件的電子特性, 又可分為動態隨機存取記憶體 (Dynamic RAM, DRAM) 及靜態隨機存取記憶體 (Static RAM, SRAM) 兩種 : 註 DRAM: 使用電容器製成, 必須持續充電更新, 儲存於其內的資料才不會消失, 所以被稱為 動態隨機存取記憶體 當我們在購買個人電腦時, 所看到的 記憶體 規格通常指的就是 DRAM 的規格 DRAM 從 SDRAM DDR DDR2 發展到現今的 DDR3, 容量越來越大, 存取速度也越來越快 圖 2-27 是 DDR2 與 DDR3 的記憶體模組 由標籤上分辨 DDR2 皆為 240 pins, 但缺口位置不同, 故使用的記憶體插槽規格也不同 圖 2-27 DDR2 及 DDR3 記憶體模組 DDR3 SRAM: 使用正反器製成, 不需持續充電更新, 即可保存儲存於其內的資料, 所以被稱為 靜態隨機存取記憶體 此種記憶體的製作成本較高 存取速度較快, 常被用來作為快取記憶體 表 2-9 所列為 DRAM 與 SRAM 的比較 表 2-9 DRAM vs. SRAM 項目 DRAM SRAM 電子元件 電容器 正反器 是否需持續充電 是 否 存取速度 慢 快 應用 主記憶體 快取記憶體 價格 便宜 貴 唯讀記憶體唯讀記憶體是一種只能讀取而不能寫入資料的記憶體, 因儲存於其內的資料不會隨主機電源的關閉而消失, 又被稱為非揮發性記憶體 (nonvolatile memory); 此種記憶體通常用來存放永久性的程式或資料, 例如個人電腦主機板上的 ROM, 常用來存放開機必備的啟動程式 (BIOS) 等 註 : 電容器與正反器皆是電子元件的一種 59
計算機概論 為了改善唯讀記憶體無法寫入資料的限制, 電腦廠商研發出數種除了 讀 還可以 寫 的 ROM, 其中以快閃記憶體 (flash memory) 的使用最為廣泛, 此種記憶體是利用電流訊號來刪除或寫入資料, 常應用於智慧型手機 智慧卡 隨身碟 記憶卡等產品上 ( 圖 2-28) 智慧型手機 智慧卡 韌體 韌體 (firmware) 是指燒錄在 ROM 中的程式 ; 這些程式多半是電腦需經常 記憶卡 隨身碟 使用的程式, 如 BIOS 圖 2-28 內含 flash memory 記憶體的產品 各類記憶體存取速度及容量比較 不同記憶體的存取速度及容量有所 速度 快 小 容量 不同, 如圖 2-29 所示 CPU 暫存器 暫存器 L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 DRAM ROM ROM DRAM 圖 2-29 各類記憶體存取速度及容量比較 註隨身碟硬碟光碟 隨身碟硬碟光碟 慢 大 為什麼使用 flash memory 製作而成的隨身碟比 ROM 的存取速度慢呢? 這是因為隨身碟是透過 USB 連接埠來與電腦連接, 因此其傳輸速度會受到 USB 連接埠的限制 60 註 : 隨身碟的存取速度會依其使用的 USB 介面不同而有差異, 一般而言速度的快慢比較為 :USB 3.0 隨身碟 > 硬碟 > USB 2.0 隨身碟 另隨身碟的容量規格有很多, 容量較大者甚至可能大於光碟或硬碟
第 2 章 電腦硬體架構及功能介紹 如何看懂電腦銷售傳單?- 避免當大頭 大多數的人在選購電腦時都希望效能越高越好, 但效能越高通常價格也越高 想要買到一部符合自己需求, 且經濟實惠的電腦, 一定要學會看懂銷售傳單上的內容 ( 圖 2-30) 以下就以挑選遊戲用主機為例, 說明幾項挑選重點 ( 若是一般文書 上網用的機種, 則不需購買這麼高階的設備 ) 建議雙核心 ( 以上 ) 記憶體容量越大, 遊戲執行越順暢, 建議至少 2GB 獨立顯示卡能提供較佳的顯示效果, 其記憶體至少應有 256MB 以上 選購遊戲時需注意作業系統版本 ( 如 XP Vista 或 Win 7) 是否與遊戲相容 圖 2-30 電腦銷售傳單範例 智慧型手機 平板電腦等行動裝置也需要有處理器 記憶體 作業系統 等軟硬體配備才能運作, 比較特別的是, 智慧型手機及部分平板電腦是使用快閃記憶體來代替硬碟 ; 因此其規格表中, 是標示 ROM 的容量大小, 而不是硬碟的容量 1. CPU 執行一個指令的過程稱之為 (A) 擷取週期 (B) 執行週期 (C) 機器週期 (D) 循環 週期 2. 某電腦賣場的廣告單中, 指出 記憶體容量為 2G, 請問該記憶體最可能是指下列哪一種記憶設備的容量? (A)RAM (B)cache memory (C)ROM (D)flash memory 3. 記憶體是電腦存放程式和資料的地方, 可以概分為用來儲存暫時性資料的與用來儲存長久性資料的兩大類 61
計算機概論 一 選擇題 1. 計算機基本結構五個單元中, 何者負責比較資料大小? (A) 算術邏輯單元 (B) 控制單元 (C) 記憶單元 (D) 輸入 / 輸出單元 2. 某位婚紗攝影師使用數位相機來拍攝新人的婚紗照, 每張數位相片需使用 4MB 的儲存容量, 若該位攝影師準備了數個容量為 2GB 的記憶卡, 請問平均拍幾張照片, 就必須更換記憶卡? (A)512 張 (B)1,024 張 (C)1,536 張 (D)2,048 張 3. 小靜的哥哥帶著新買的數位相機到日本旅遊 返國後, 他想用電腦來播放旅遊拍攝的照片與家 人分享, 請問他應該將數位相機連接到電腦的哪一個連接埠呢? (A)COM (B)USB (C)LPT (D)D-Sub 4. 志翔是一位動畫設計師, 他常需利用電腦來繪製 3D 圖形, 但他覺得螢幕上所呈現的影像不夠 細緻, 請問更換下列哪一種介面卡可以改善這種情形? (A) 音效卡 (B) 網路卡 (C) 數據卡 (D) 顯示卡 5. 學校電腦教室將全面更換電腦設備, 老師強調這些全新電腦設備, 都具有雙核心的技術, 請問 雙核心是下列哪一種電腦元件所採用的技術? (A) 匯流排 (B) 快取記憶體 (C) 中央處理器 (D) 暫存器 6. 在近代微處理器出現後, 電腦硬體架構的五大單元裡, 下列哪一個單元包含於目前常見的中央處理器 (CPU) 中? (A) 輸出單元 (B) 輸入單元 (C) 控制單元 (D) 記憶單元 7. CPU 運作的機器週期 (Machine Cycle) 中, 不包含下列哪一個步驟? (A) 擷取 (Fetch) (B) 編碼 (Encode) (C) 解碼 (Decode) (D) 執行 (Execute) 8. 從日本紅回台灣的 htc Butterfly 蝴蝶機使用 1.5GHz CPU, 請問其執行一個指令約需花多少時間? (A)1.5ns (B)1.5ms (C)0.6ns (D)0.6ms 9. 報導指出 DDR3 記憶體模組技術較先進, 資料傳輸速度快, 且較不消耗電力, 因此許多電腦廠商將改採 DDR3 作為主記憶體 請問 DDR3 記憶體是以下列哪種元件製作而成? (A)SRAM (B)DRAM (C)PROM (D)EPROM 10. 下列有關記憶體的敘述, 何者正確? (A)DRAM 可被讀取資料, 但不能寫入資料 (B)DRAM 的速度較硬碟慢 (C) 當電腦關機後,DRAM 中的資料不會消失 (D)DRAM 的存取速度較 SRAM 慢 11. 下列各項記憶體中, 讀寫速度比 ROM 快的有幾項? 1DRAM 2L2 cache 3 硬碟 4L3 cache 5DVD 光碟機 (A)4 (B)3 (C)2 (D)1 12. 如果需要購買能儲存大量資料的智慧型手機, 應考慮手機的下列哪一項規格? (A)RAM 的容量 (B)ROM 的容量 (C) 螢幕解析度 (D)CPU 的速率 二 填充題 1. 請依據 SRAM DRAM L1 Cache L2 Cache ROM 等記憶體的存取速度快慢, 由快至慢依序填入下列空格處 1 2 3 4 5 62