歡迎來到系統基礎（System Fundamentals）！（單元 1）
哈囉各位未來的電腦科學家！在本章「系統基礎」中，我們將為整個課程奠定基礎。如果這個名稱聽起來有點抽象，別擔心。我們只是要探討什麼是「系統」、它由哪些部分組成、這些部分如何互動，以及為什麼在深入研究硬件、網絡或編程之前，理解這些概念是至關重要的。
你可以把這一章想像成拆解一台複雜的機器——比如你的手機或自動駕駛汽車——並找出其中涉及的所有角色和關係。讓我們開始吧！
1. 定義系統及其核心組成部分
在電腦科學中，「系統（system）」這個詞被頻繁使用。但它到底是什麼意思呢？
什麼是系統？
系統是一組互動或相互依賴的組件，它們共同協作以實現一個共同的目標。
類比： 想像一支足球隊。每個球員（組件）都有特定的角色（後衛、前鋒、守門員），但他們都必須互動並相互依賴，才能達成共同目標：贏得比賽。如果其中一個組件失效（例如守門員生病了），整個系統都會受到影響。
三大支柱：硬件、軟件和數據
任何資訊科技（IT）系統，無論多麼簡單或複雜，都依賴三個基本組成部分：
- 硬件（Hardware）： 你可以觸摸到的物理組件（例如 CPU、屏幕、鍵盤、滑鼠、網絡線）。
- 軟件（Software）： 非物理的指令集和程式，用於指示硬件執行任務（例如作業系統、Google Chrome、Photoshop）。
- 數據（Data）： 系統處理的原始事實和數字（例如學生編號、照片檔案、溫度讀數）。
關鍵點： 這三個支柱缺一不可。沒有軟件指令，硬件就無用武之地；而沒有數據，軟件也無法運作。
2. 系統邊界與子系統
在處理複雜系統時，我們需要一種將其拆解成較小、易於管理的部分的方法。這就是邊界（boundaries）和子系統（subsystems）的作用所在。
子系統：拆解複雜性
子系統是更大系統的一部分。大型資訊科技專案通常會被拆解成較小、定義明確的子系統，以簡化開發流程。
例子： 一個大學註冊系統可能包含以下子系統：
- 學生紀錄子系統（處理個人資料）。
- 課程選修子系統（處理時間表和名額）。
- 賬單與財務子系統（處理學費繳納）。
邊界
系統邊界（system boundary）定義了系統的界限——它說明了哪些組件在系統內部，哪些在系統外部（屬於環境（environment）的一部分）。
理解邊界至關重要，因為系統只能控制其邊界內的元素。邊界外的一切（例如用戶、外部伺服器或電力供應）都被視為環境的一部分，並作為輸入或輸出的來源。
互動與反饋
系統通常遵循一個循環：
- 輸入（Input）： 從環境中獲取數據（例如你輸入密碼）。
- 處理（Processing）： 根據指令操作數據（例如作業系統檢查密碼是否正確）。
- 輸出（Output）： 將處理後的資訊傳回環境（例如屏幕顯示「登入成功」）。
- 儲存（Storage）： 保存數據以供日後使用。
系統通常包含反饋（feedback），即輸出或儲存的數據被用來修改未來的輸入或處理過程。例子： 恆溫器測量室溫（輸出），如果溫度過低，它會調整鍋爐（輸入）。
我們將大型系統劃分為子系統。我們定義邊界以區分內部和外部（環境）。標準流程是輸入 → 處理 → 輸出，通常涉及反饋。
3. 軟件基礎：系統軟件與應用軟件
軟件通常根據其用途進行分類。你必須知道兩個主要類型：系統軟件（System Software）和應用軟件（Application Software）。
a) 系統軟件
系統軟件旨在操作電腦硬件，並為應用軟件的運行提供平台。它管理資源並確保電腦高效運行。
最重要的系統軟件是作業系統（Operating System, OS）（例如 Windows、macOS、Linux、iOS）。
作業系統的主要功能：
- 用戶介面管理： 提供圖形用戶介面（GUI）或命令列，讓你與機器進行互動。
- 記憶體管理： 決定程式和數據在 RAM 中的儲存位置，並確保程式之間不會互相干擾。
- 周邊設備管理： 使用稱為設備驅動程式（device drivers）的特殊軟件，處理 CPU 與輸入/輸出設備（如打印機或相機）之間的通訊。
- 安全與存取控制： 處理登入、密碼和用戶權限。
工具軟件（Utility Software）也是系統軟件的一部分。這包括執行維護任務的程式，如磁碟重組工具、檔案壓縮工具（例如 WinZip）和防毒軟件。
b) 應用軟件
應用軟件（Application Software）（或稱「應用程式/Apps」）旨在為用戶執行特定任務。這些軟件若沒有底層的系統軟件（作業系統）是無法運行的。
例子： 文書處理軟件、試算表、網頁瀏覽器、電子遊戲、電子郵件客戶端和音樂播放器。
如果起初覺得這些很難區分，別擔心： 只需記住系統軟件是用來運行「電腦」的，而應用軟件是用來執行「用戶任務」的。你需要作業系統（系統）才能運行 Microsoft Word（應用）。
4. 數據表示與測量單位
電腦處理的所有資訊都必須使用二進制（binary）（一種基數為 2 的數字系統）來表示。
基礎：位元（Bit）與位元組（Byte）
- 位元（Bit, b）： 最小的數據單位，代表單個二進制數字（0 或 1）。可以把它想像成一個關閉（0）或開啟（1）的電力開關。
- 位元組（Byte, B）： 由 8 個位元組成的集合。這是儲存單個字符（如字母 'A' 或數字 '5'）的基本單位。
測量數據大小
由於數據量非常巨大，我們使用標準化的前綴（基於 2 的冪，具體為 1024）來測量容量：
| 單位 | 縮寫 | 大小（約） |
|---|---|---|
| Kilobyte | KB | \(2^{10}\) 位元組 (1,024 位元組) |
| Megabyte | MB | \(2^{20}\) 位元組 (約 100 萬位元組) |
| Gigabyte | GB | \(2^{30}\) 位元組 (約 10 億位元組) |
| Terabyte | TB | \(2^{40}\) 位元組 (約 1 萬億位元組) |
| Petabyte | PB | \(2^{50}\) 位元組 (非常、非常大！) |
記憶小貼士： 如果你忘記了單位的順序，請記住這句話：Kids Make Great Tacos（Kilo, Mega, Giga, Tera）。
你知道嗎？ 由於電腦科學標準（基數 2，使用 1024）與科學標準（基數 10，使用 1000）之間存在些許差異，組織有時會使用如 Kibibyte (KiB)、Mebibyte (MiB) 等單位來明確表示基數為 2 的系統，儘管 KB、MB 和 GB 在資訊科技領域中仍是通用的縮寫。
5. 系統可靠性、完整性與可用性
系統基礎的一個關鍵方面是評估系統執行工作的效能。我們通常使用三個標準來衡量：可靠性（reliability）、完整性（integrity）和可用性（usability）。
a) 可靠性
可靠性是用來衡量系統在沒有故障的情況下，持續執行其預期功能的程度。一個可靠的系統是值得信賴的。
導致不可靠的原因：
- 硬件故障： 硬碟損壞或組件過熱。
- 軟件錯誤（Bugs）： 程式碼中的錯誤導致程式崩潰或產生錯誤結果。
- 人為錯誤： 管理員不小心刪除了關鍵檔案或輸入了錯誤數據。
為了提高可靠性，設計師會使用以下技術：
- 冗餘（Redundancy）： 準備多個備份組件（如兩個硬碟鏡像），以便在其中一個失效時接替工作。
- 錯誤檢查（Error Checking）： 在軟件中實施檢查，以捕捉錯誤的數據輸入。
b) 數據完整性
數據完整性是指數據在整個生命週期中的有效性、準確性和一致性。如果數據在儲存、處理和檢索過程中沒有發生更改，則該數據具有很高的完整性。
如果數據損壞（例如在傳輸過程中）或輸入了不準確的數據，就會導致完整性降低。
c) 可用性
可用性是指系統對於用戶操作的簡便和高效程度。如果系統難以學習、使用起來令人沮喪或設計不良，用戶就會犯錯，從而降低整體系統效能並增加錯誤發生的機率。
良好的可用性通常包括：
- 清晰、直觀的用戶介面（UI）。
- 設計和導航的一致性。
- 為有不同需求的用戶提供無障礙功能（accessibility features）（例如大字體、語音指令）。
6. 社會與道德背景（利益相關者）
系統基礎不僅僅關乎技術組件，更關乎「人」！IB 電腦科學課程非常強調系統運作的環境背景。
識別利益相關者
利益相關者（Stakeholder）是指對系統的開發或運作感興趣，或受其影響的任何個人或團體。
識別所有利益相關者至關重要，因為他們的需求和觀點往往會產生衝突。
例子：開發一個新的學校時間表系統。
- 用戶： 教師、學生（希望簡單、易於訪問個人資料）。
- 擁有者： 校董會（希望成本效益高、安全性高）。
- 開發者： 程序員（希望規格明確、程式碼高效）。
- 監管者： 政府（希望遵守隱私法，如 GDPR）。
未能滿足所有關鍵利益相關者的需求，是資訊科技專案失敗的常見原因！
社會與道德影響
系統設計通常涉及道德選擇。請務必考慮：
- 隱私： 用戶數據是如何被收集、儲存和保護的？（一個重大的道德和法律問題）。
- 版權： 軟件或數據是否侵犯了知識產權？
- 數碼鴻溝（Digital Divide）： 該系統是否排斥了某些人群（例如缺乏網絡存取或使用舊設備的人）？
單元 1 強迫你進行整體思考。一個系統是一個由硬件、軟件和數據定義的互動整體。它的成功不僅取決於其技術效能（可靠性、完整性），還取決於它滿足利益相關者需求的能力以及對道德規範的處理。