章節：機器基本組織

各位同學大家好！歡迎來到「機器基本組織」的學習筆記。你有沒有想過，當你在電腦或智能手機上玩遊戲、看影片或做功課時，裡面究竟發生了什麼事？本章將為你揭開這層神秘的面紗！

我們將探索電腦的主要組成部分、它們如何協同工作，以及電腦的「大腦」如何處理資訊。你可以把這想像成學習電腦的解剖學。了解這些基本概念超級重要，因為它是資訊及通訊科技（ICT）所有其他知識的基石。如果一開始聽起來有點難，別擔心，我們會用簡單的例子和比喻來幫助你輕鬆理解。我們開始吧！

1. 電腦系統的主要硬件部分

一個電腦系統由不同的硬件組件組成，它們協同工作。我們可以將它們分為五個主要功能。記住這些功能的一個好方法，就是想想你自己的身體是如何運作的！

  • 輸入裝置：你如何將資訊給予電腦。（就像你的感官：眼睛、耳朵、觸覺）

  • 處理單元：「大腦」，負責思考和計算。（就像你的大腦）

  • 輸出裝置：電腦如何將資訊回饋給你。（就像你的聲音或動作）

  • 儲存裝置：電腦長期保存資訊的地方。（就像你的長期記憶）

  • 匯流排系統：連接所有組件的通道。（就像你的神經系統）

所有這些部分協同工作，以接收數據（輸入）、處理數據（處理），並向你展示結果（輸出），同時利用記憶體（儲存）來記錄事務。

重點提示

電腦硬件有五個主要功能：輸入、處理、輸出、儲存，並利用匯流排系統在各部分之間進行通訊。


2. 電腦的大腦：處理單元

處理單元是所有運作發生的地方。它們是電腦系統中最重要的部分。你需要了解兩種主要類型。

中央處理器 (CPU)

中央處理器 (CPU) 是電腦的主要大腦。它執行大部分的計算，並執行電腦程式的指令。

比喻：你可以把 CPU 想像成廚房裡的廚師長。它閱讀食譜（程式指令），準備食材（數據），然後製作出最終的餐點（輸出）。

CPU 有兩個主要組成部分：

  1. 控制單元 (CU)：CPU 的「經理」。它指揮和協調所有操作。它從記憶體中獲取指令，並告訴其他部分該做什麼。它本身不執行指令，只管理整個過程。

  2. 算術邏輯單元 (ALU)：CPU 的「計算器」。它執行所有數學計算（如加法、減法）和邏輯運算（如比較一個數字是否比另一個大）。

圖形處理器 (GPU)

圖形處理器 (GPU) 是一種專門處理複雜圖形和圖像相關任務的處理器。它非常擅長對大量數據重複執行相同的計算，這對於渲染圖像、影片和遊戲來說非常完美。

比喻：如果 CPU 是能烹飪任何菜餚的廚師長，那麼 GPU 就是一位專門製作精美複雜甜點（圖形）的糕點師傅，速度快得驚人，效率也極高。

衡量 CPU 性能

衡量 CPU 速度的主要方法是其時脈速度，以赫茲 (Hz) 為單位。時脈速度告訴你 CPU 每秒能處理多少個指令週期。

例子：一個 3 GHz (千兆赫) 的 CPU 每秒可以執行 30 億個週期！

這些週期快得令人難以置信。我們用極小的時間單位來描述它們：

  • 微秒 (µs)：百萬分之一秒。

  • 納秒 (ns)：十億分之一秒。

  • 皮秒 (ps)：萬億分之一秒。

快速回顧

CPU：處理一般任務的主要大腦。包含控制單元（經理）和 ALU（計算器）。
GPU：專門處理圖形的「大腦」。
時脈速度：衡量 CPU 每秒能運行的週期數（以 Hz 為單位）。


3. CPU 的日常運作：機器週期

那麼 CPU 實際上是如何處理指令的呢？對於每一個指令，它都會遵循一個不斷重複的週期。這就是所謂的提取－解碼－執行週期，或稱機器週期。

比喻：想像一下按照食譜製作三明治。

  1. 提取：CPU 的控制單元從主記憶體 (RAM) 中提取（獲取）下一個指令。（你的大腦告訴你的手從食譜中獲取下一個步驟）。

  2. 解碼：控制單元解碼指令，弄清楚需要採取什麼動作。（你閱讀指令並理解它意味著「把芝士放在麵包上」）。

  3. 執行：算術邏輯單元執行數學或邏輯運算。（你實際將芝士放在麵包上）。

這個週期每秒重複數十億次！要做到這一點，CPU 需要另外兩個關鍵組件的幫助：

暫存器：這些是直接位於 CPU 內部、微小但極其快速的儲存位置。它們用於臨時保存 CPU 當前正在處理的數據和指令。把它們想像成廚師的雙手，握著他們即將使用的食材。

匯流排：這些是連接 CPU 與其他組件（如主記憶體 (RAM) 和輸入/輸出裝置）的通訊通道或「高速公路」。數據和指令在機器週期中沿著這些匯流排傳輸。

重點提示

CPU 不斷運行提取－解碼－執行週期。它從記憶體提取指令，解碼以理解要做什麼，然後執行它們。暫存器是 CPU 超快的內部儲存，而匯流排是連接所有組件的高速公路。


4. 電腦的工作檯：主記憶體

主記憶體是電腦的短期工作區域。它保存著 CPU 當前正在使用的數據和程式。它比長期儲存裝置快得多，但通常能容納的資訊量較少。

隨機存取記憶體 (RAM)

  • 功能：這是主要的工作檯。當你打開一個程式，例如網頁瀏覽器或遊戲時，它會從你的儲存磁碟載入到 RAM 中，以便 CPU 可以快速存取它。

  • 特性：RAM 是揮發性的，這意味著當電源關閉時，它會忘記所有內容。它也是「隨機存取」的，因為 CPU 可以直接且即時地存取它的任何部分。

  • 性能：更多的 RAM 通常意味著你可以同時流暢運行更多程式。RAM 的速度（其數據存取速率）也會影響性能。

只讀記憶體 (ROM)

  • 功能：ROM 包含電腦的基本啟動指令，通常稱為 BIOS 或 UEFI。這會告訴電腦在你首次開機時如何檢查其硬件並載入操作系統。

  • 特性：ROM 是非揮發性的，這表示即使電源關閉，它也能保留其資訊。顧名思義，其內容是只讀的，不能輕易更改。

記憶體快取 (Cache)

  • 功能：快取是一種非常小、極其快速的記憶體類型，位於 CPU 和主記憶體 (RAM) 之間。它儲存著 CPU 最常使用的數據和指令的副本。

  • 比喻：如果 RAM 是工作檯，那麼快取就是廚師圍裙上的小口袋。廚師把他們最常用的香料（頻繁數據）放在口袋裡，這樣他們就不必每次都伸手去工作檯拿取。

記憶體概念與性能

  • 記憶體容量：記憶體可以容納的數據量（例如，16 GB RAM）。更大的容量允許更多的多任務處理。

  • 記憶體地址：記憶體中的每個位置都有一個唯一的地址，就像街道上的門牌號碼一樣。這允許 CPU 精確地找到數據和指令。

  • 字長：這指的是 CPU 一次可以處理的位元數（例如，32 位元或 64 位元）。更大的字長意味著電腦在每個週期可以處理更多的數據，從而帶來更好的性能。

你知道嗎？記憶體單位

在計算機科學中，像千 (kilo)、兆 (mega) 和吉 (giga) 這樣的詞頭是基於 2 的冪次方，而不是 10 的冪次方！

常見錯誤提示：不要將電腦系統（二進制）與國際單位制（SI/十進制）混淆。

  • 1 千字節 (KB) = 1024 字節

  • 1 兆字節 (MB) = 1024 KB

  • 1 吉字節 (GB) = 1024 MB

  • 1 太字節 (TB) = 1024 GB

快速回顧：記憶體比較

快取：最快，最小，在 CPU 內部/旁邊。
RAM：快，中等大小，揮發性（電源關閉時會忘記內容）。
ROM：較慢，小，非揮發性（電源關閉時仍能記憶內容）。


5. 與電腦溝通：輸入與輸出裝置

這些裝置是我們人類與電腦互動的方式。輸入裝置將數據「輸入」，輸出裝置則將數據「輸出」。

常見輸入裝置

  • 鍵盤：用於輸入文字和指令。優點：文字輸入速度快。缺點：體積較大。

  • 滑鼠/觸控板：用於控制螢幕上的指標。優點：圖形介面操作直觀。缺點：需要平面操作。

  • 麥克風：用於錄製聲音。應用：語音聊天、錄音。

  • 掃描器：用於創建實體文件或圖像的數碼副本。應用：將舊照片數碼化。

  • 網絡攝影機：用於捕捉影片。應用：視像會議。

常見輸出裝置

  • 顯示器/屏幕：顯示視覺資訊（文字、圖像、影片）。應用：查看電腦操作的主要方式。

  • 打印機：創建數碼文件的實體副本（硬拷貝）。優點：永久記錄。缺點：需要墨水/碳粉和紙張。

  • 揚聲器/耳機：產生聲音。應用：聽音樂、看電影。

  • 投影機：將電腦輸出顯示在大型屏幕或牆壁上。應用：課堂演示。

對於考試，你應該能夠選擇並解釋合適裝置的使用。例如，要在大型課堂上進行演示，你應該選擇投影機，因為它的輸出可以同時被許多人看到，這對於小型顯示器來說是不可能的。


6. 電腦的圖書館：儲存裝置

儲存是電腦的長期記憶。它是你保存文件、遊戲和操作系統的地方。與 RAM 不同，儲存裝置是非揮發性的，因此即使電腦關機，它也能確保你的數據安全。

記憶體與儲存：一個常見的混淆！記憶體 (RAM) 是你正在積極使用的東西的臨時工作檯。儲存 (SSD/HDD) 是你擁有的所有東西的永久圖書館。

儲存裝置的主要特性

  • 存取方法：可以是隨機存取（可以直接跳到任何數據，例如硬碟或 SSD）或循序存取（必須從頭開始讀取數據才能到達特定點，例如舊式磁帶）。

  • 揮發性：幾乎所有儲存裝置都是非揮發性的。

  • 儲存容量：它可以容納多少數據（例如，1 TB）。

  • 數據傳輸速率：數據可以從裝置讀取或寫入的速度。

儲存裝置示例

  • 磁碟 (硬碟機 - HDD)：使用旋轉磁碟片來儲存數據。特性：容量大，便宜，但比 SSD 慢且更脆弱。隨機存取。

  • 快閃記憶體 (固態硬碟 - SSD, USB 隨身碟)：使用沒有活動部件的電子芯片。特性：非常快，耐用，但比 HDD 貴。隨機存取。

  • 光碟 (CD, DVD, 藍光碟)：使用激光讀取旋轉光碟上的微小凹坑。特性：便宜，適合軟件/電影分發，但容量較低且正變得不那麼常見。隨機存取。

  • 磁帶：用於數據儲存的一長條磁帶。特性：容量巨大，非常便宜，但由於採用循序存取而非常慢。主要用於大規模備份和檔案。

  • 網絡儲存：通過網絡或互聯網將數據儲存在伺服器上（例如，Google Drive 等雲端儲存）。優點：可從任何地方存取。缺點：需要互聯網連接。

趨勢：隨著時間的推移，儲存裝置正變得更快，具有更大的儲存容量，以及更小的物理尺寸。


7. 有什麼新發展？最新技術發展

科技總是在不斷進步！你只需要了解普遍的趨勢（無需掌握超技術細節）。

  • 處理器能力：CPU 現在擁有多個「核心」（例如，四核心），這就像一個芯片中有多個 CPU，使它們能夠同時處理更多任務。它們也變得更節能。

  • 主記憶體技術：RAM 技術隨著每一代新產品而變得更快（例如，DDR4、DDR5），使 CPU 能夠更快地獲取數據。容量也在不斷增加。

  • 輔助儲存裝置：SSD 正在成為大多數新電腦的標準配置，因為它們的速度提供了巨大的性能提升。新的、甚至更快的連接（如 NVMe）使其速度更快。

  • 數據通訊：電腦內部的匯流排和連接（如 PCIe）正變得越來越快，使 GPU 和 SSD 等組件能夠更快地與 CPU 溝通。

「機器基本組織」的內容到此為止！你現在已經了解電腦的基本組成部分以及它們如何協同工作。請繼續溫習這些概念，你將為餘下的資訊及通訊科技學習打下堅實的基礎。做得好！