Hardware and software

歡迎來到 ICT 的核心：硬體與軟體！

你好！本章是我們研習資訊與通訊科技（ICT）所有知識的基礎。試著將電腦系統想像成人類的身體：它需要物理構造才能存在，也需要智慧（指令）才能運作。
讀完這份筆記後，你將能清楚分辨物理部件（硬體）與指令集（軟體）之間的區別，以及它們如何共同協作以處理資訊。讓我們開始吧！

1.1 定義硬體與軟體

電腦系統的兩大組成部分

每個 ICT 系統都依賴兩個核心元素的協同運作：

1. 硬體 (Hardware) (物理實體)

硬體是指電腦系統中的物理元件。你可以觸摸它、感受它，有時甚至會不小心把它摔到地上！

類比：如果電腦是一輛汽車，硬體就是引擎、輪胎和底盤。

硬體的例子包括：

• 鍵盤和顯示器（你使用的裝置）。
• 中央處理器 (CPU) 和隨機存取記憶體 (RAM)（內部的大腦）。
• 硬碟和外接儲存裝置。

2. 軟體 (Software) (隱形的指令)

軟體是指告訴硬體該做什麼的程式（指令集）。它負責控制電腦的運作或處理電子數據。

類比：如果電腦是一輛汽車，軟體就是說明書中教你如何駕駛的指引，或是控制引擎的電腦晶片。

1.2 硬體的主要元件

為了執行任務，電腦需要四類核心硬體元件。課程大綱著重於內部元件（機器內部的）和外部元件（周邊設備）。

A. 內部處理元件

中央處理器 (CPU) / 處理器

CPU 通常被稱為電腦的「大腦」。

• 角色： CPU 的主要職責是執行輸入到電腦中的指令，以便處理數據並產生輸出。
• 它控制系統的所有其他部分，並執行所有的計算和邏輯運算。

主機板 (Motherboard) 是主要的電路板，用來連接 CPU、記憶體和其他所有內部元件，使它們能夠互相通訊。

B. 內部記憶體 (主儲存器)

內部記憶體（或稱主儲存器）是 CPU 存放當前正在使用的數據和指令的地方。我們重點關注兩種類型：RAM 和 ROM。

隨機存取記憶體 (RAM)

RAM 是電腦的工作空間。它存放作業系統、當前運行的應用程式以及正在處理的數據。

• 特性 1：揮發性 (Volatile)。 這是最重要的特性！當電腦關機時，RAM 中的所有數據都會丟失。
• 特性 2：可讀/寫 (Read/Write)。 CPU 既可以從中讀取數據，也可以將新數據寫入其中。
• RAM 的速度通常比備份儲存裝置快得多。

類比：將 RAM 想像成你的實體辦公桌。當你工作時，所有當前的文件都鋪在桌面上（RAM）。當你完成工作並關燈離開時，你清理了桌面，一切隨之消失（揮發性）。

唯讀記憶體 (ROM)

ROM 存放啟動電腦系統所需的永久性、必要指令（例如 BIOS）。

• 特性 1：非揮發性 (Non-Volatile)。 電源關閉時，數據不會丟失。
• 特性 2：唯讀 (Read-Only)。 用戶通常無法輕易更改或刪除其中的數據。

C. 其他關鍵硬體元件

這些元件處理特定任務或允許連接到其他設備：

• 顯示卡 (Graphics Card)： 處理圖像並將其輸出到顯示器。
• 音效卡 (Sound Card)： 處理聲音並將其輸出到喇叭或耳機。
• 網絡介面卡 (NIC)： 讓電腦能夠連接到網絡（如網際網絡或區域網絡 LAN）。
• 攝錄鏡頭 (Camera)： 用於捕捉圖像或視訊的輸入設備。
• 輸入與輸出設備： 啟用數據輸入（輸入）或顯示/呈現結果（輸出）的設備。（詳見第 2 章）。

D. 備份儲存 (輔助儲存器)

備份儲存（或稱輔助儲存器）用於長期、永久地儲存數據和程式。

• 特性： 一律為非揮發性（斷電時數據安全）。
• 例子： 固定式或可攜式磁性硬碟、固態硬碟 (SSD)、CD、DVD、藍光光碟。

2.0 理解軟體

軟體是根據其用途來分類的：它是直接幫助用戶，還是幫助電腦管理自身運作。

2.1 應用軟體 (Application Software)

應用軟體（或稱「App」）提供用戶為了解決特定任務所需的功能。這些是你每天用來創作、溝通或娛樂的程式。

應用軟體的例子（你必須知道這些例子）：

• 文書處理 (Word Processing)： 創建和編輯文件（例如：撰寫論文）。
• 試算表 (Spreadsheet)： 執行計算和財務分析（例如：編列預算）。
• 資料庫管理系統 (DBMS)： 有效地儲存、組織和檢索數據（例如：學生紀錄）。
• 控制與測量 (Control & Measurement)： 用於監控系統的程式（例如：智慧家居中的氣候控制）。
• 圖像編輯、影片編輯、音訊編輯： 處理多媒體的工具。
• 電腦輔助設計 (CAD)： 工程師和建築師用來設計物件的軟體。
• 小程序與應用程式 (Applets and Apps)： 為特定任務設計的小型應用程式，通常用於行動裝置。

2.2 系統軟體 (System Software)

系統軟體提供電腦高效運作所需的功能。它管理硬體，並為應用軟體提供運作平台。

類比：如果應用軟體是地圖，系統軟體就是讓汽車真正開動的引擎和方向盤。

系統軟體的例子（你必須知道這些例子）：

• 作業系統 (OS)： 最重要的系統軟體（例如：Windows, macOS, Android）。它管理所有的硬體和軟體資源。（詳見課程大綱 1.3）。
• 裝置驅動程式 (Device Drivers)： 允許作業系統與特定硬體元件溝通的小型程式（例如：印表機驅動程式）。
• 公用程式 (Utilities)： 執行維護任務的程式（例如：防毒軟體、檔案壓縮工具）。
• 編譯器與連結器 (Compilers and Linkers)： 程式設計師用來將程式碼翻譯成機器可讀指令的工具。

3.0 類比與數位數據

電腦以特定的格式處理數據，這意味著真實世界的訊號有時需要進行轉換。

類比與數位數據的特性是什麼？

類比數據 (Analogue Data)

類比數據是連續的、無限的，並且隨著時間平滑地變化。
例子：代表聲音的波形、傳統溫度計的讀數，或是舊式收音機的音量旋鈕。

• 特性： 以連續變化的物理量（如電壓）來表示。

數位數據 (Digital Data)

數位數據是離散的、可數的，並且以階梯式呈現，通常使用二進位系統（0 和 1）。這是電腦唯一能理解和處理資訊的方式。

• 特性： 以明顯的、分開的值（0 或 1，ON 或 OFF）來表示。

類比：斜坡是類比的（高度連續變化）。樓梯是數位的（具體的、離散的階梯）。

轉換的需求

由於真實世界是類比的，但電腦是數位的，我們通常需要轉換器：

1. 類比轉數位轉換 (ADC)

目的： 必須將類比數據轉換為數位數據，以便由電腦進行處理。
例子：當你在電腦上使用麥克風（捕捉類比聲波）時，音效卡會使用 ADC 將聲波轉變為電腦可以記錄和儲存的二進位數據。

2. 數位轉類比轉換 (DAC)

目的： 必須將數位數據轉換回類比數據，以便用於控制現實世界中的設備。
例子：當電腦控制喇叭時，DAC 會將儲存的二進位音訊檔案轉回類比電訊號，使喇叭振膜震動產生聲音。這對於控制控制系統中的馬達或致動器等設備也至關重要。