## 0.1 電腦：輔助人腦的好工具 現在的人們幾乎無時無刻都會碰電腦！不管是桌面電腦（臺式機）、筆記本電腦（筆記本）、平板電腦、智能手機等等，這些東西都算是電腦。 雖然接觸的這么多，但是，你了解電腦里面的元件有什么嗎？以臺式機來說，電腦的機箱里面含有什么元件？不同的電腦可以應用在哪些工作？ 你生活周遭有哪些電器用品內部是含有電腦相關元件的？下面我們就來談一談這些東西呢！ 所謂的電腦就是一種計算機，而計算機其實是：“接受使用者輸入指令與數據，經由中央處理器的數學與邏輯單元運算處理后， 以產生或儲存成有用的信息”。因此，只要有輸入設備 （不管是鍵盤還是觸摸屏） 及輸出設備 （例如電腦屏幕或直接由打印機打印出來），讓你可以輸入數據使該機器產生信息的， 那就是一部計算機了。  **Tips** 電腦可以協助人們進行大量的運算！以前如果要計算化學反應式都得要算個老半天，有了電腦仿真軟件后，就有不一樣的情況發生了！ 以下圖為例，鳥哥的工作中，有一項是需要將人們排放的空氣污染物帶入電腦模式進行仿真后，計算出可能產生的空氣污染并得到空氣品質狀態，最后經過分析軟件得到各式各樣的圖表。 經過這些圖表的解析，就可以讓人們知道什么樣的污染排放來源可能會產生什么樣的空氣品質變化啰。 圖0.1.1、計算器的功能 好了，根據這個定義你知道哪些東西是計算機了嗎？其實包括一般商店用的簡易型加減乘除計算器、打電話用的手機、開車用的衛星定位系統 （GPS）、提款用的提款機 （ATM）、你上課會使用的桌上型個人電腦、外出可能會帶的筆記本電腦 （包括 notebook 與 netbook），還有近幾年 （2015前后） 非常熱門的平板電腦與智能手機， 甚至是未來可能會大流行的單版電腦 （Xapple pi, banana pi, Raspberry pi, [[1]](#ps1)） 與智能手表，甚至于更多的智能穿戴式電腦[[2]](#ps2)等等，這些都是計算機喔！ 那么計算機主要的組成元件是什么呢？下面我們以常見的個人電腦主機或服務器工作站主機來作為說明好了。 ### 0.1.1 計算機硬件的五大單元 關于電腦的硬件組成部分，其實你可以觀察你的臺式機來分析一下，依外觀來說這家伙主要可分為三部分，分別是： * 輸入單元：包括鍵盤、鼠標、讀卡機、掃描儀、手寫板、觸摸屏等等一堆； * 主機部分：這個就是系統單元，被主機機箱保護住了，里面含有一堆板子、CPU 與內存等； * 輸出單元：例如屏幕、打印機等等 我們主要通過輸入設備如鼠標與鍵盤來將一些數據輸入到主機里面，然后再由主機的功能處理成為圖表或文章等信息后， 將結果傳輸到輸出設備，如屏幕或打印機上面。那主機里面含有什么元件呢？如果你曾經拆開過電腦主機機箱 （包括拆開你的智能手機也一樣喔！）， 會發現其實主機里面最重要的就是一塊主板，上面安插了中央處理器 （CPU） 以及內存、硬盤 （或記憶卡） 還有一些適配卡設備而已。 當然大部分智能手機是將這些元件直接焊接在主板上面而不是插卡啦！ 整部主機的重點在于中央處理器 （Central Processing Unit, CPU），CPU 為一個具有特定功能的芯片， 里頭含有微指令集，如果你想要讓主機進行什么特異的功能，就得要參考這顆 CPU 是否有相關內置的微指令集才可以。 由于 CPU 的工作主要在于管理與運算，因此在 CPU 內又可分為兩個主要的單元，分別是： 算數邏輯單元與控制單元。[[3]](#ps3) 其中算數邏輯單元主要負責程序運算與邏輯判斷，控制單元則主要在協調各周邊元件與各單元間的工作。 既然 CPU 的重點是在進行運算與判斷，那么要被運算與判斷的數據是從哪里來的？ CPU 讀取的數據都是從內存來的！ 內存內的數據則是從輸入單元所傳輸進來！而 CPU 處理完畢的數據也必須要先寫回內存中，最后數據才從內存傳輸到輸出單元。  **Tips** 為什么我們都會說，要加快系統性能，通常將內存容量加大就可以獲得相當好的成效？如同下圖以及上面的說明，因為所有的數據都要經過內存的傳輸， 所以內存的容量如果太小，數據高速緩存就不足～影響性能相當大啊！尤其針對 Linux 作為服務器的環境下！這點要特別記憶喔！ 綜合上面所說的，我們會知道其實電腦是由幾個單元所組成的，包括輸入單元、 輸出單元、CPU 內部的控制單元、算數邏輯單元與內存五大部分。 這幾個東西的相關性如下所示： 圖0.1.2、電腦的五大單元[^[4]](#ps4) 上面圖示中的“系統單元”其實指的就是電腦機箱內的主要元件，而重點在于 CPU 與內存。 特別要看的是實線部分的傳輸方向，基本上數據都是流經過內存再轉出去的！ 至于數據會流進/流出內存則是 CPU 所發布的控制命令！而 CPU 實際要處理的數據則完全來自于內存 （不管是程序還是一般文件數據）！這是個很重要的概念喔！ 這也是為什么當你的內存不足時，系統的性能就很糟糕！也是為什么現在人們買智能手機時，對于可用內存的要求都很高的原因！ 而由上面的圖示我們也能知道，所有的單元都是由 CPU 內部的控制單元來負責協調的，因此 CPU 是整個電腦系統的最重要部分！ 那么目前世界上有哪些主流的 CPU 呢？是否剛剛我們談到的硬件內全部都是相同的 CPU 架構呢？下面我們就來談一談。 ### 0.1.2 一切設計的起點： CPU 的架構 如前面說過的，CPU 其實內部已經含有一些微指令，我們所使用的軟件都要經過 CPU 內部的微指令集來達成才行。 那這些指令集的設計主要又被分為兩種設計理念，這就是目前世界上常見到的兩種主要 CPU 架構， 分別是：精簡指令集 （RISC） 與復雜指令集 （CISC） 系統。下面我們就來談談這兩種不同 CPU 架構的差異啰！ * 精簡指令集 （Reduced Instruction Set Computer, RISC）：[[5]](#ps5) 這種 CPU 的設計中，微指令集較為精簡，每個指令的執行時間都很短，完成的動作也很單純，指令的執行性能較佳； 但是若要做復雜的事情，就要由多個指令來完成。常見的 RISC 微指令集 CPU 主要例如甲骨文 （Oracle） 公司的 SPARC 系列、 IBM 公司的 Power Architecture （包括 PowerPC） 系列、與安謀公司 （ARM Holdings） 的 ARM CPU 系列等。 在應用方面，SPARC CPU 的電腦常用于學術領域的大型工作站中，包括銀行金融體系的主要服務器也都有這類的電腦架構； 至于PowerPC架構的應用上，例如索尼（Sony）公司出產的Play Station 3（PS3）就是使用PowerPC架構的Cell處理器； 那安謀的 ARM 呢？你常使用的各廠牌手機、PDA、導航系統、網絡設備（交換器、路由器等）等，幾乎都是使用 ARM 架構的 CPU 喔！ 老實說，目前世界上使用范圍最廣的 CPU 可能就是 ARM 這種架構的呢！ [[6]](#ps6) * 復雜指令集（Complex Instruction Set Computer, CISC）：[[7]](#ps7) 與RISC不同的，CISC在微指令集的每個小指令可以執行一些較低階的硬件操作，指令數目多而且復雜， 每條指令的長度并不相同。因為指令執行較為復雜所以每條指令花費的時間較長， 但每條個別指令可以處理的工作較為豐富。常見的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架構的CPU。 由于AMD、Intel、VIA所開發出來的x86架構CPU被大量使用于個人電腦（Personal computer）用途上面， 因此，個人電腦常被稱為x86架構的電腦！那為何稱為x86架構[[8]](#ps8)呢？ 這是因為最早的那顆Intel發展出來的CPU代號稱為8086，后來依此架構又開發出80286, 80386...， 因此這種架構的CPU就被稱為x86架構了。 在2003年以前由Intel所開發的x86架構CPU由8位升級到16、32位，后來AMD依此架構修改新一代的CPU為64位， 為了區別兩者的差異，因此64位的個人電腦CPU又被統稱為x86_64的架構喔！  **Tips** 所謂的位指的是CPU一次數據讀取的最大量！64位CPU代表CPU一次可以讀寫64bits這么多的數據，32位CPU則是CPU一次只能讀取32位的意思。 因為CPU讀取數據量有限制，因此能夠從內存中讀寫的數據也就有所限制。所以，一般32位的CPU所能讀寫的最大數據量，大概就是4GB左右。 那么不同的x86架構的CPU有什么差異呢？除了CPU的整體結構（如第二層高速緩存、每次運行可執行的指令數等）之外， 主要是在于微指令集的不同。新的x86的CPU大多含有很先進的微指令集， 這些微指令集可以加速多媒體程序的運行，也能夠加強虛擬化的性能，而且某些微指令集更能夠增加能源效率， 讓CPU耗電量降低呢！由于電費越來越高，購買電腦時，除了整體的性能之外， 節能省電的CPU特色也可以考慮喔！ 例題：最新的Intel/AMD的x86架構中，請查詢出多媒體、虛擬化、省電功能各有哪些重要的微指令集？（僅供參考）答： * 多媒體微指令集：MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, AMD-3DNow! * 虛擬化微指令集：Intel-VT, AMD-SVM * 省電功能：Intel-SpeedStep, AMD-PowerNow! * 64/32位相容技術：AMD-AMD64, Intel-EM64T ### 0.1.3 其他單元的設備 五大單元中最重要的控制、算術邏輯被整合到 CPU 的封裝中，但系統當然不可能只有 CPU 啊！那其他三個重要電腦單元的設備還有哪些呢？ 其實在主機機箱內的設備大多是通過主板 （main board） 連接在一塊，主板上面有個鏈接溝通所有設備的芯片組，這個芯片組可以將所有單元的設備鏈接起來， 好讓 CPU 可以對這些設備下達命令。其他單元的重要設備主要有： * 系統單元：如[圖 0.1.2](#fig012) 所示，系統單元包括 CPU 與內存及主板相關元件。而主板上頭其實還有很多的連接接口與相關的適配卡，包括鳥哥近期常使用的 PCI-E 10G 網卡、 磁盤陣列卡、還有顯卡等等。尤其是顯卡，這東西對于玩3D游戲來說是非常重要的一環，他與顯示的精致度、色彩與分辨率都有關系。 * 存儲單元：包括內存 （main memory, RAM） 與輔助內存，其中輔助內存其實就是大家常聽到的“儲存設備”啰！包括硬盤、軟盤、光盤、磁帶等等的。 * 輸入、輸出單元：同時涵蓋輸入輸出的設備最常見的大概就是觸摸屏了。至于單純的輸入設備包括前面提到的鍵盤鼠標之外，目前的體感設備也是重要的輸入設備喔！ 至于輸出設備方面，除了屏幕外，打印機、音效喇叭、HDMI電視、投影機、藍牙耳機等等，都算喔！ 更詳細的各項主機與周邊設備我們將在下個小節進行介紹！在這里我們先來了解一下各元件的關系啰！那就是，電腦是如何運行的呢？ ### 0.1.4 運行流程 如果不是很了解電腦的運行流程的話，鳥哥拿個簡單的想法來思考好了～假設電腦是一個人體，那么每個元件對應到那個地方呢？可以這樣思考： 圖0.1.3、各元件運行 * CPU=腦袋瓜子：每個人會作的事情都不一樣（微指令集的差異），但主要都是通過腦袋瓜子來進行判斷與控制身體各部分的活動； * 內存=腦袋中放置正在被思考的數據的區塊：在實際活動過程中，我們的腦袋瓜子需要有外界刺激的數據 （例如光線、環境、語言等） 來分析，那這些互動數據暫時存放的地方就是內存，主要是用來提供給腦袋瓜子判斷用的信息。 * 硬盤=腦袋中放置回憶的記憶區塊：跟剛剛的內存不同，內存是提供腦袋目前要思考與處理的信息，但是有些生活瑣事或其他沒有要立刻處理的事情， 就當成回憶先放置到腦袋的記憶深處吧！那就是硬盤！主要目的是將重要的數據記錄起來，以便未來將這些重要的經驗再次的使用； * 主板=神經系統：好像人類的神經一樣，將所有重要的元件連接起來，包括手腳的活動都是腦袋瓜子發布命令后， 通過神經（主板）傳導給手腳來進行活動啊！ * 各項周邊設備=人體與外界溝通的手、腳、皮膚、眼睛等：就好像手腳一般，是人體與外界互動的重要關鍵！ * 顯卡=腦袋中的影像：將來自眼睛的刺激轉成影像后在腦袋中呈現，所以顯卡所產生的數據來源也是CPU控制的。 * 電源供應器 （Power）=心臟：所有的元件要能運行得要有足夠的電力供給才行！這電力供給就好像心臟一樣，如果心臟不夠力， 那么全身也就無法動彈的！心臟不穩定呢？那你的身體當然可能斷斷續續的～不穩定！ 由這樣的關系圖當中，我們知道整個活動中最重要的就是腦袋瓜子！ 而腦袋瓜子當中與現在正在進行的工作有關的就是CPU與內存！任何外界的接觸都必須要由腦袋瓜子中的內存記錄下來， 然后給腦袋中的CPU依據這些數據進行判斷后，再發布命令給各個周邊設備！如果需要用到過去的經驗， 就得由過去的經驗（硬盤）當中讀取啰！ 也就是說，整個人體最重要的地方就是腦袋瓜子，同樣的，整部主機當中最重要的就是CPU與內存， 而CPU的數據來源通通來自于內存，如果要由過去的經驗來判斷事情時， 也要將經驗（硬盤）挪到目前的記憶（內存）當中，再交由CPU來判斷喔！這點得要再次的強調啊！ 下個章節當中，我們就對目前常見的個人電腦各個元件來進行說明啰！ ### 0.1.5 電腦按用途分類 知道了電腦的基本組成與周邊設備，也知道其實電腦的CPU種類非常的多，再來我們想要了解的是，電腦如何分類？ 電腦的分類非常多種，如果以電腦的復雜度與運算能力進行分類的話，主要可以分為這幾類： * 超級計算機（Supercomputer） 超級計算機是運行速度最快的電腦，但是他的維護、操作費用也最高！主要是用于需要有高速計算的計劃中。 例如：國防軍事、氣象預測、太空科技，用在仿真的領域較多。詳情也可以參考： 國家高速網絡與計算中心[http://www.nchc.org.tw](http://www.nchc.org.tw/)的介紹！ 至于全世界最快速的前500大超級計算機，則請參考：[http://www.top500.org](http://www.top500.org/)。 * 大型計算機（Mainframe Computer） 大型計算機通常也具有數個高速的CPU，功能上雖不及超級計算機，但也可用來處理大量數據與復雜的運算。 例如大型企業的主機、全國性的證券交易所等每天需要處理數百萬筆數據的企業機構， 或者是大型企業的數據庫服務器等等。 * 迷你電腦（Minicomputer） 迷你電腦仍保有大型計算機同時支持多使用者的特性，但是主機可以放在一般作業場所， 不必像前兩個大型計算機需要特殊的空調場所。通常用來作為科學研究、工程分析與工廠的流程管理等。 * 工作站（Workstation） 工作站的價格又比迷你電腦便宜許多，是針對特殊用途而設計的電腦。在個人電腦的性能還沒有提升到目前的狀況之前， 工作站電腦的性能/價格比是所有電腦當中較佳的，因此在學術研究與工程分析方面相當常見。 * 微電腦（Microcomputer） 個人電腦就屬于這部份的電腦分類，也是我們本章主要探討的目標！體積最小，價格最低，但功能還是五臟俱全的！ 大致又可分為桌上型、筆記型等等。 若光以性能來說，目前的個人電腦性能已經夠快了，甚至已經比工作站等級以上的電腦運算速度還要快！ 但是工作站電腦強調的是穩定不死機，并且運算過程要完全正確，因此工作站以上等級的電腦在設計時的考慮與個人電腦并不相同啦！ 這也是為啥工作站等級以上的電腦售價較貴的原因。 ### 0.1.6 電腦上面常用的計算單位 （容量、速度等） 電腦的運算能力除了 CPU 微指令集設計的優劣之外，但主要還是由速度來決定的。至于存放在電腦儲存設備當中的數據容量也是有單位的。 * 容量單位 電腦對數據的判斷主要依據有沒有通電來記錄信息，所以理論上對于每一個紀錄單位而言，它只認識 0 與 1 而已。0/1 這個二進制的的單位我們稱為 bit。 但 bit 實在太小了，所以在儲存數據時每份簡單的數據都會使用到 8 個 bits 的大小來記錄，因此定義出 Byte 這個單位，他們的關系為： > 1 Byte = 8 bits 不過同樣的，Byte 還是太小了，在較大的容量情況下，使用 Byte 相當不容易判斷數據的大小，舉例來說，1000000 Bytes 這樣的顯示方式你能夠看得出有幾個零嗎？所以后來就有一些常見的簡化單位表達式，例如 K 代表 1024Byte，M 代表 1024K 等。 而這些單位在不同的進位制下有不同的數值表示，下面就列出常見的單位與進位制對應： | 進位制 | Kilo | Mega | Giga | Tera | Peta | Exa | Zetta | | --- | --- | | 二進制 | 1024 | 1024K | 1024M | 1024G | 1024T | 1024P | 1024E | | 十進制 | 1000 | 1000K | 1000M | 1000G | 1000T | 1000P | 1000E | 一般來說，文件大小使用的是二進制的方式，所以 1GBytes 的文件大小實際上為：1024x1024x1024Bytes 這么大！ 速度單位則常使用十進制，例如 1GHz 就是 1000x1000x1000Hz 的意思。  **Tips** 那么什么是“進位”呢？以人類最常用的十進制為例，每個“位置”上面最多僅能有一個數值，這個數值不可以比 9 還要大！那比 9 還大怎辦？ 就用“第二個位置來裝一個新的 1 ”！所以， 9 還是只有一個位置， 10 則是用了兩個位置了。好了那如果是 16 進位怎辦？由于每個位置只能出現一個數值， 但是數字僅有 0~9 而已啊！因此 16 進位中，就以 A 代表 10 的意思，以 B 代表 11 的意思，所以 16 進位就是 0~9, a, b, c, d, e, f，有沒有看到， “每個位置最多還是只有一個數值而已”喔！好了，那回來談談二進制。因為每個位置只能有 0, 1 而已，不能出現 2 （逢 2 進一位） 啦！這樣了解乎？ * 速度單位 CPU的運算速度常使用 MHz 或者是 GHz 之類的單位，這個 Hz 其實就是秒分之一。而在網絡傳輸方面，由于網絡使用的是 bit 為單位，因此網絡常使用的單位為 Mbps 是 Mbits per second，亦即是每秒多少 Mbit。舉例來說，大家常聽到的 20M/5M 光世代傳輸速度，如果轉成文件大小的 Byte 時，其實理論最大傳輸值為：每秒 2.5MByte/ 每秒625KByte的下載/上傳速度喔！ 例題：假設你今天購買了500GB的硬盤一顆，但是格式化完畢后卻只剩下460GB左右的容量，這是什么原因？答：因為一般硬盤制造商會使用十進制的單位，所以500GByte代表為500*1000*1000*1000Byte之意。 轉成文件的容量單位時使用二進制（1024為底），所以就成為466GB左右的容量了。 硬盤廠商并非要騙人，只是因為硬盤的最小物理量為512Bytes，最小的組成單位為扇區（sector）， 通常硬盤容量的計算采用“多少個sector”，所以才會使用十進制來處理的。相關的硬盤信息在這一章后面會提到的！