Computer architecture

歡迎來到硬件部分：計算機體系結構

各位未來的計算機科學家大家好！在本章「計算機體系結構」中，我們將深入探索計算機系統的內部構造。我們將探討基本的物理組件（即硬件），以及它們如何協同運作，將你的程式和應用程式變得活靈活現。

理解硬件至關重要，因為它解釋了為什麼你的電腦有時運行飛快，有時卻慢吞吞，以及它究竟是如何每天處理你輸入的數十億條指令。別擔心那些看起來複雜的名稱——我們將會把系統拆解成簡單易懂的工作項目！

3.1 中央處理器 (CPU)

CPU 與微處理器的角色 (3.1.1)

中央處理器 (Central Processing Unit, CPU) 通常被稱為計算機的「大腦」。它的主要任務是處理輸入到計算機中的指令和數據，以便產生結果（輸出）。

你可以把 CPU 想成是計算機系統的首席執行官 (CEO)。它負責接收指令、分配任務，並確保一切按時運行。

微處理器只是一種現代的集成電路 (IC)，它具備 CPU 的功能，並完整地構建在單一的小型矽晶片上。現今大多數的電腦、手機和嵌入式系統都使用微處理器。

馮·諾依曼架構 (Von Neumann Architecture) (3.1.2)

大多數現代計算機採用馮·諾依曼架構，即指令和數據存儲在同一個存儲單元（隨機存取存儲器，RAM）中。CPU 通過內部組件與該存儲器進行持續的數據交換。

CPU 的關鍵組件 (3.1.2a)

CPU 包含幾個負責處理和控制的重要組件：

• 算術邏輯單元 (Arithmetic Logic Unit, ALU)： 執行所有算術運算（如加減法）和邏輯運算（如 AND、OR、NOT）。它是計算與決策的中心。
• 控制單元 (Control Unit, CU)： 管理並協調計算機的所有其他組件。它控制數據和指令的流向，並發出時序訊號。它是 CPU 的管理者。
• 暫存器 (Registers)： 微小且極速的存儲位置，用於在「提取-解碼-執行」週期期間暫時存放數據或指令。

基本暫存器

• 程式計數器 (Program Counter, PC)： 存放下一條指令的地址。
• 內存地址暫存器 (Memory Address Register, MAR)： 存放 CPU 想要讀取或寫入數據或指令的內存地址。
• 內存數據暫存器 (Memory Data Register, MDR)： 存放剛從內存提取或即將寫入內存的數據或指令。
• 當前指令暫存器 (Current Instruction Register, CIR)： 存放目前正在解碼及執行的指令。
• 累加器 (Accumulator, ACC)： 暫時存放算術邏輯單元 (ALU) 運算後的結果。

💡 記憶小撇步： MAR 存地址 (Address)，MDR 存數據 (Data)。

匯流排 (Buses)

匯流排是電氣路徑，用於在 CPU 與其他組件（如 RAM）之間傳輸數據、地址和訊號。

• 地址匯流排 (Address Bus)： 將地址從 CPU（存於 MAR 中）傳輸到內存。它是單向的。
• 數據匯流排 (Data Bus)： 在 CPU 與內存之間（通過 MDR）傳輸實際的數據和指令。它是雙向的。
• 控制匯流排 (Control Bus)： 傳輸控制訊號（例如讀/寫訊號、時鐘訊號），以協調所有活動。它是雙向的。

提取-解碼-執行 (FDE) 週期 (3.1.2b)

這是 CPU 為運行程式而不斷重複的核心過程。它每秒會發生數百萬次！

FDE 週期步驟：

1. 提取 (FETCH)：
   • 下一條指令的地址從 PC 複製到 MAR。
   • PC 遞增以指向下下條指令。
   • 從 RAM 中（根據 MAR 存放的地址）讀取指令/數據，並沿著數據匯流排傳送到 MDR。
   • 指令從 MDR 複製到 CIR。
2. 解碼 (DECODE)：
   • 控制單元 (CU) 解釋存放在 CIR 中的指令。它會弄清楚指令的意思（例如「將這兩個數字相加」）。
   • CU 為執行階段準備必要的組件（如 ALU 或特定的暫存器）。
3. 執行 (EXECUTE)：
   • 執行該指令。這可能涉及 ALU 進行計算、在暫存器之間移動數據，或是將數據寫回內存。
   • 如果執行的是計算，結果通常會存儲在累加器 (ACC) 中。

初學者覺得這裡複雜是很正常的，別擔心！多練習標註圖表並記住各個暫存器的角色，特別是提取階段中 PC \(\rightarrow\) MAR 和 MDR \(\rightarrow\) CIR 的過程。

影響 CPU 效能的因素 (3.1.3)

三個主要特性決定了 CPU 執行指令的速度：

1. 時鐘速度 (Clock Speed)：
   • 以吉赫茲 (GHz) 為單位。這是 CPU 每秒可以執行的週期數（FDE 週期）。
   • 影響： 時鐘速度越快，意味著 CPU 每秒能執行更多指令，效能就越高。
2. 核心數量 (Number of Cores)：
   • 核心本質上是 CPU 內的一個獨立處理單元。
   • 影響： 核心越多，CPU 就能同時運行多條指令或任務（並行處理）。四核心 CPU 比單核心 CPU 能更有效地同時處理四個任務。
3. 快取大小 (Cache Size)：
   • 快取是位於 CPU 內部或非常靠近 CPU 的小型高速內存，用來存儲常用的指令和數據。
   • 影響： 快取越大，CPU 等待較慢的內存 (RAM) 的機會就越少。通常情況下，較大的快取能提升效能。

指令集 (3.1.4)

指令集是特定 CPU 能夠理解並處理的所有命令（以機器碼表示）的完整列表。每一種不同類型的 CPU（如 Intel 與 ARM）都有其獨有的指令集。

嵌入式系統 (3.1.5)

嵌入式系統是一種內置於大型設備中的計算機系統，旨在執行一個或幾個專用功能。它們通常是針對實時控制進行了優化的微處理器。

它們與可以執行多種功能的通用計算機（如 PC 或筆記型電腦）不同。

嵌入式系統範例：

• 家用電器（洗衣機、微波爐）
• 汽車（引擎管理、ABS 防鎖死煞車系統）
• 安全系統、照明系統和自動販賣機。

3.2 輸入與輸出設備

CPU 需要透過不同的方式來接收資訊 (輸入)，並顯示或執行已處理過的資訊 (輸出)。

輸入設備 (3.2.1)

輸入設備允許將數據或指令輸入到計算機系統中。

常見範例：

• 鍵盤、光學滑鼠：用於輸入文字和控制游標。
• 條碼掃描器、QR 碼掃描器：讀取光學圖案以輸入數據（如產品條碼）。
• 數碼相機、麥克風：捕捉影像和聲音，並將其轉化為數碼數據。
• 觸控屏幕：結合了輸入與輸出功能的設備。
  • 電阻式： 對壓力有反應（如觸控筆或戴手套）。
  • 電容式： 對電荷有反應（如裸指觸摸）。
  • 紅外線式： 使用紅外線束/傳感器陣列來檢測觸摸。
• 2D 和 3D 掃描器：將物理對象或文件轉化為數碼複製品。

輸出設備 (3.2.2)

輸出設備將計算機處理過的數據，轉換為人類可讀或機器可操作的形式。

常見範例：

• LED/LCD 屏幕：顯示視覺輸出。（LED 通常比傳統 LCD 更亮且更節能）。
• 投影機 (DLP, LCD)：將視覺輸出投射到大平面上。
• 噴墨打印機、雷射打印機：產生硬拷貝輸出。
• 揚聲器 (喇叭)：產生聲音輸出。
• 3D 打印機：創建三維物理對象。
• 致動器 (Actuator)：一種將電訊號轉換為物理運動或力的機械（例如打開閥門、移動機器手臂、轉動馬達）。常用於自動化系統。

傳感器與控制 (3.2.3)

傳感器 (Sensor) 是一種輸入設備，用於檢測並測量物理性質（如光、溫度或壓力），並將其轉換為計算機可以處理的數據（通常是電訊號）。

傳感器是創建自動化系統（見課題 6.1）的基礎。微處理器監控傳感器數據，並在需要採取行動時向致動器發送指令。

傳感器類型與捕捉的數據

• 溫度傳感器：測量熱度/冷度。（用於中央暖氣系統）。
• 光傳感器：測量環境光強度。（用於自動街燈）。
• 壓力傳感器：測量力/重量。（用於防盜警報器的地墊）。
• 聲學傳感器：測量聲音水平/振動。（用於檢測玻璃碎裂的安全系統）。
• 加速度計：測量加速度/傾斜/振動。（用於手機改變屏幕方向）。
• 濕度傳感器：測量水分/潮濕度。（用於農業土壤灌溉）。
• 氣體傳感器：測量特定氣體的濃度。（用於工業安全/工廠）。
• 流量傳感器：測量流體經過某一點的速度或體積。（用於測量燃料消耗）。
• 距離傳感器 (Proximity)：在沒有物理接觸的情況下檢測附近物體。（用於汽車泊車感應）。
• 液位傳感器：測量物質的高度（如水箱中的水量）。
• 紅外線傳感器：測量熱特徵，或用於遙控器。
• 磁場傳感器：測量磁場的存在或強度（如指南針應用）。
• pH 值傳感器：測量酸鹼度。（用於環境科學或農業）。

選擇最合適的傳感器完全取決於應用場景和你需要監控的物理量。如果你要檢查環境狀態，你可能需要溫度、濕度或光傳感器。

3.3 數據存儲

主存儲器 (Primary Storage) (3.3.1)

主存儲器是 CPU 可以直接訪問的內存。它對於存儲 CPU 當前正在處理的數據和指令至關重要。

• 隨機存取存儲器 (RAM)：
  • 允許數據讀取與寫入（讀/寫）。
  • 具有揮發性 (Volatile)：斷電後數據會丟失。
  • 用於存儲操作系統和當前運行的應用程式/數據。
• 唯讀存儲器 (ROM)：
  • 允許讀取數據，但通常不允許寫入（唯讀）。
  • 具有非揮發性 (Non-volatile)：斷電後數據依然存在。
  • 用於存儲計算機的啟動指令（即引導程式 (Bootloader) 或 韌體 (Firmware)）。

為什麼兩者都需要？ 計算機需要 ROM 來啟動（因為 ROM 在沒電時也能保存指令），而一旦啟動後，需要 RAM 來高效運行程式（因為 RAM 對於動態的暫存數據來說速度快得多）。

輔助存儲器 (Secondary Storage) (3.3.2)

輔助存儲器用於長期、永久地保存數據和程式。它是非揮發性的。CPU 不能直接訪問它；數據必須先複製到 RAM 中。

輔助存儲器的類型 (3.3.3)

1. 磁性存儲 (如硬碟 HDD)

• 運作原理： 使用塗有磁性材料的旋轉碟片。數據通過磁化碟片上的微小區域（位元）來存儲。讀/寫磁頭在表面移動，利用電磁鐵來讀寫數據。
• 結構： 碟片被劃分為同心圓的磁軌 (Tracks)，進一步劃分為磁區 (Sectors)。
• 範例： 硬碟 (Hard Disk Drives, HDD)。

2. 光學存儲 (如 CD, DVD, 藍光)

• 運作原理： 數據存儲在旋轉碟片上的微觀凹槽 (Pits) 和平面 (Lands) 中。雷射束照射在表面，通過反射圖案來解析二進制數據。
• 範例： CD、DVD、藍光碟片。

3. 固態存儲 (快閃記憶體) (如 SSD, USB 隨身碟)

• 運作原理： 使用電子電路和 NAND 或 NOR 技術。數據通過存儲在電晶體內浮閘中的電荷來表示。由於沒有活動部件，速度非常快。
• 範例： 固態硬碟 (SSD)、USB 隨身碟、SD 卡。

虛擬內存 (Virtual Memory) (3.3.4)

有時 RAM 滿了，但計算機仍需要載入更多程式或數據，這時就是虛擬內存發揮作用的時候。

• 定義： 虛擬內存是輔助存儲器（如 HDD 或 SSD）中的一部分，操作系統會將其視為 RAM 來使用。
• 運作原理： 當 RAM 滿時，操作系統會將不活動的數據和指令（稱為分頁 Pages）從 RAM 移至虛擬內存中。當這些分頁再次需要時，它們會被換回 RAM。
• 必要性： 它允許計算機運行比物理 RAM 容量更多的應用程式，從而防止系統崩潰。然而，將數據交換到較慢的輔助存儲器會顯著降低效能。

雲端存儲 (Cloud Storage) (3.3.5 & 3.3.6)

雲端存儲是指將數據存儲在遠程物理服務器（由 Google 或 Amazon 等提供商擁有）上，而不是存儲在你自己設備的本地存儲中。數據通過互聯網進行訪問。

與本地存儲的優缺點比較：

• 雲端存儲優點：
  • 可以從任何有網絡的地方遠程訪問數據。
  • 供應商提供自動備份和災難恢復。
  • 可擴展性（輕鬆增加或減少所需的存儲空間）。
• 雲端存儲缺點：
  • 需要持續的互聯網連接才能訪問數據。
  • 安全與隱私風險（依賴第三方供應商）。
  • 速度取決於互聯網頻寬（大檔案傳輸可能會慢）。

3.4 網絡硬件

要連接設備並跨網絡進行通訊，需要專用的硬件。

網絡接口卡 (NIC) (3.4.1)

每台需要接入網絡的計算機都必須配備一張網絡接口卡 (Network Interface Card, NIC)。NIC 負責在計算機與網絡介質（如乙太網線或 Wi-Fi 無線電波）之間轉譯數據。

MAC 地址 (3.4.2)

媒體存取控制 (MAC) 地址是分配給 NIC 的唯一物理識別碼，在生產時確定。

• 結構： 通常以十六進制書寫（如 00-1A-2B-3C-4D-5E）。
• 組成： 前半部分識別製造商，後半部分是設備的唯一序號。
• 用途： 主要用於局域網內，確保數據封包能到達正確的物理設備。

IP 地址 (3.4.3)

互聯網協定 (IP) 地址是分配給連接到計算機網絡的每個設備的數字標籤。

• 用途： 用於邏輯定址和跨大型網絡（包括互聯網）的路由選擇。它告訴網絡設備的位置。
• 分配： IP 地址由網絡分配；可以是靜態的（永久設置）或動態的（臨時分配，通常由路由器負責）。

IPv4 與 IPv6

互聯網依賴 IP 地址，目前存在兩個版本：

• IPv4： 使用 32 位元（如 192.168.1.1）。約提供 43 億個唯一地址。
• IPv6： 使用 128 位元（如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。由於 IPv4 地址耗盡，IPv6 是必要的。它提供極大量的地址並具備更好的路由能力。

路由器的角色 (3.4.4)

路由器 (Router) 是一種網絡設備，用於在不同的計算機網絡（網絡 A 與網絡 B）之間引導數據（以封包形式）。

• 路由器對於連接局域網 (LAN) 與廣域網 (WAN，如互聯網) 至關重要。
• 它利用封包標頭中包含的 IP 地址，決定數據到達目的地最有效率的路徑。
• 許多路由器還具備為局域網內的設備分配動態 IP 地址的功能（這稱為 DHCP，你只需知道它會分配 IP 地址即可）。

總結

做得好！你現在已經掌握了計算機系統的基礎結構。我們了解了 CPU 如何利用其專用組件和 FDE 週期處理資訊，硬件如何捕捉與顯示數據，以及數據是如何被永久存儲的。你現在也認識了連接世界的關鍵硬件組件。

繼續複習暫存器的角色以及不同類型存儲器之間的區別——這些對於考試成功至關重要！