第01章

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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352240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720480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19201080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

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