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資訊新未來

第 1 章. 資訊新未來. 學習目標. 看完本章 , 您應該學會以下主題： 電腦的定義 電腦硬體的五大單元架構 , 以及其運作原理 電腦的演進歷史與未來發展的趨勢 電腦有哪些種類. 前言. 自 20 世紀中期以來 , 電腦迅速地融入人類生活 , 數十年來資訊科學的發展早已超出原先的計算器範疇 , 而成為一種新的資訊製造器、儲存器、傳播器 , 其所涵蓋的資訊範圍 , 也已包含了所有的知識領域。

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Presentation Transcript

  1. 第 1 章 資訊新未來

  2. 學習目標 • 看完本章, 您應該學會以下主題： • 電腦的定義 • 電腦硬體的五大單元架構, 以及其運作原理 • 電腦的演進歷史與未來發展的趨勢 • 電腦有哪些種類

  3. 前言 • 自 20 世紀中期以來, 電腦迅速地融入人類生活, 數十年來資訊科學的發展早已超出原先的計算器範疇, 而成為一種新的資訊製造器、儲存器、傳播器, 其所涵蓋的資訊範圍, 也已包含了所有的知識領域。 • 從科技、藝術、人文、教育...等, 各領域都開始使用電腦為工具。因此, 身為 21 世紀的現代人, 我們有必要對於電腦的定義、發展歷史, 以及未來趨勢有所認識與了解。

  4. 1-1 電腦是什麼 • 一直以來, 人類不斷地發明可以幫助人們處理資料的工具, 從算盤、計算尺、到機械式的加法器等等。發明這些工具的目的, 無非是希望能藉以提升資料處理的速度及準確度。 • 但在二十世紀前, 這些計算器都還停留在機械式的範疇, 且在計算及處理資料的能力上未能有大幅度的提升。直到使用電子科技的電腦誕生, 人類才跨出革命性的一步, 並開啟了資訊時代。

  5. 1-1 電腦是什麼

  6. 1-1 電腦是什麼 • 電腦的英文名稱為 Computer, 所以正式的中文名稱應為計算機或電子計算機, 不過目前一般皆通稱為電腦, 所以本書也將使用電腦為其名稱。

  7. 1-1-1電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 電腦是一種可以接受資料、命令, 並加以分析、過濾以迅速處理資料, 然後輸出對應結果的電子化設備。 • 一部電腦包含硬體 (Hardware) 及軟體(Software) 兩大部分, 兩者互相搭配, 才能有效運作, 完成我們要求的工作。其中所謂硬體, 是指組成電腦的各項機械、電子設備；而軟體則是用以控制電腦動作的指令、程式。

  8. 1-1-1電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 電腦硬體的架構主要是由輸入、記憶、控制、算術與邏輯、輸出等 5 大單元所組成：

  9. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 輸入單元 (Input Unit)：輸入單元是將資料輸入電腦的管道。當我們輸入資料時, 輸入單元會將這些資料先轉換成電子訊號, 然後才傳送至電腦內部處理。 • 鍵盤、滑鼠、讀卡機、光筆、條碼閱讀機、掃瞄器、數位相機...等均屬輸入單元的設備。

  10. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 記憶單元 (Memory Unit )：記憶單元是電腦存放程式與資料的地方。它包含主記憶體及輔助記憶體兩種, 主記憶體用來儲存處理中的程式和資料, 輔助記憶體則是用來儲存暫時不用的程式和資料。 • 硬碟機、軟碟機、光碟機...等是目前在個人電腦上使用相當普遍的輔助記憶體。

  11. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 控制單元 (CU, Control Unit )：控制單元負責控制、協調電腦各單元間的相互運作。電腦的所有作業程序、與其他單元間互動的協調工作、資料的傳遞等, 皆需透過此單元來控制監督。

  12. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 算術與邏輯單元 (ALU, Arithmetic/Logic Unit)：此單元是電腦執行算術運算、邏輯判斷的單元, 可說是電腦的核心。當資料由輸入單元送至記憶單元後, 電腦透過程式的控制將資料讀入此單元進行運算, 最後才將運算的結果送回記憶單元。 • 控制單元和算術與邏輯單元也可以合稱為中央處理單元(CPU, Central Processing Unit), 詳細說明請參考第 2 章。

  13. 1-1-1 電腦的定義與硬體 5 大單元架構 • 輸出單元(Output Unit)：輸出單元是電腦輸出資料的管道。資料經過算術運算後, 藉由輸出單元將運算的結果顯示或列印出來。螢幕、印表機、喇叭、繪圖機...等均屬於輸出單元的設備。 • 本書第 2 ~ 4 章會詳細介紹這 5 大單元, 至於軟體種類的說明, 則請參考本書 7-1 節。

  14. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture) • 前述電腦硬體的五大單元架構, 就是馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture), 依此架構設計的電腦, 則稱為儲存程式型電腦 (Stored-Program Computer)。

  15. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture)

  16. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture) • 最早的計算機是為特定用途所製造 (例如 1-2-2 節介紹的 ENIAC 其目的是為了計算砲彈的彈道), 直接透過電路設計程式, 如果想改變其 "程式", 則必須更改線路, 甚至重新設計機器。 • 而馮紐曼架構, 則是將 "程式指令" 由 "電路開關" 變為 "資料" 儲存在記憶體中, 算術與邏輯單元再由記憶體讀取指令執行。這樣的架構, 讓計算機不再只能為特定目的設計、製造, 而能有更廣泛的用途！

  17. 馮紐曼架構 (Von Neumann Architecture) • 首部採用馮紐曼架構的電腦為 1949 年完成的 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), 而馮紐曼於 1945 年為開發 EDVAC 所寫的文獻 "First Draft of a Report on the EDVAC" 中, 即敘述了馮紐曼架構的基本概念。

  18. 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式 • 5 大單元各司其職, 分工合作, 以實現人們所要求的任務, 以下是 5 大單元的運作示意圖：

  19. 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式

  20. 1-1-2 電腦硬體 5 大單元的運作方式 • 這 5 大單元清楚地劃分出每種配備的工作內容, 以及彼此的協調關係, 所以電腦就能正常運作了。

  21. 電腦的儲存單位與時間單位 • 由於電腦處理資料的速度非常快, 若使用日常生活中常用的小時、分, 甚至秒來描述其處理時間, 都很不方便, 因此通常使用更小單位。以下為電腦領域中, 較常用的時間單位： • 毫秒 (Millisecond, ms)：千分之一秒, 1 ms =10-3 s。 • 微秒 (Microsecond, μs)： 百萬分之一秒, 1μs= 10-6 s。 • 奈秒 (Nanosecond, ns)： 十億分之一秒, 1 ns= 10-9 s。

  22. 電腦的儲存單位與時間單位 • 電腦儲存資料的 『最小』 單位為位元 (bit), 每一個位元可以表示一個 0 或 1, 而 8 個位元則稱為 1 個位元組 (Byte)。 • 電腦的儲存設備基本上都以位元組作為資料存取的基本單位, 一般常見的單位與換算方式如下：

  23. 電腦的儲存單位與時間單位 • 1 Kilo Bytes (KB) = 210 Bytes = 1024 Bytes • 1 Mega Bytes (MB)= 220 Bytes = 1024 KB • 1 Giga Bytes (GB) = 230 Bytes = 1024 MB • 1 Tera Bytes (TB) = 240 Bytes = 1024 GB • Kilo、Mega...等都是公制單位的前置字, 其實依照公制的規定, 每個單位間的換算應該使用103, 而不是 210, 所以理論上 1 MB 應該等於 1000 KB, 其他單位也一樣應使用 1000 而非1024 做為換算的數字。

  24. 電腦的儲存單位與時間單位 • 為了解決可能發生混淆的問題, 國際電工委員會 (IEC, International Electrotechnical Commission)曾經提出一套新的前置字, 建議使用 KiB、MiB、GiB、TiB 做為以 1024 換算的單位, 讓 KB、MB、GB、TB 的換算數字回歸原本公制單位規定的 1000。 • 不過 IEC 提出的前置字尚未廣被接受, 目前大眾仍然習慣使用 1024 做為 KB、MB、GB、TB 的換算數字。所以本書隨後內容除非特別說明, 否則也會以 1024 為換算數字。

  25. 隨堂練習 1. 請計算 1 TB 等於多少 GB？多少 MB？多少KB？多少 Bytes？ 2. 請列出自己一天中使用電腦的時間有多少？用途為何？並想像如果沒有電腦的話, 自己應如何完成原本利用電腦處理的事情。

  26. 1-2 電腦的演進 • 從第一台電腦問世至今, 不過是短短 60 幾年的時間, 但其對人類的影響, 卻足以媲美前兩次的工業革命。在本節中, 我們要看看近半世紀以來電腦的發展：

  27. 1-2 電腦的演進

  28. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • 十九世紀的英國數學家 Charles Babbage 獲得了英國政府的資助, 開始研發差分機(Difference Engine), 這是一部使用蒸氣為動力的機械式計算器。 • 而後他更擴展了原先想法, 認為理想的計算機應該具有程式化的功能, 也就是可以依照指令改變執行程序, 因此轉而研發分析機 (Analytical Engine)。

  29. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀)

  30. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • 可惜因為當時的技術跟不上 Babbage 的設計, 所以差分機與分析機最後皆無法製造成功。 • 不過因為 Babbage 劃時代的想法與設計, 已具備現代電腦運作的概念, 所以一般都公認 Babbage 為電腦之父。

  31. 1-2-1 電腦先驅 － 差分機與分析機 (十九世紀) • Babbage 設計分析機時, 當時的數學才女 Ada Lovelace 非常欣賞分析機的想法, 所以也一起參與研究。 • Ada 為分析機寫了一份如何計算白努利數 (Bernoulli Numbers) 的規劃 (演算法), 並且設計了一個流程圖, 因此後世稱 Ada 為歷史上第一位程式設計師。如果想要多瞭解 Ada 的成就, 可以參考 13-3 頁。

  32. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 1946 年, 人類第一部電腦問世, 稱為 ENIAC (Electronic Numer icalIntegrator And Computer)。是由美國賓州大學的 John W. Mauchly 與 J.Presper Eckert 以 『真空管』(Vacuum Tube) 為主要元件製造而成, 其目的是為了用來計算砲彈的彈道。 • 這部電腦使用了約 18,000 個真空管, 15,000 個繼電器 (Relay), 長 15 公尺, 寬 9 公尺, 重 30 噸, 一秒鐘內大約能作 5000 次加法運算

  33. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953)

  34. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 真空管的壽命短、不易散熱、易故障、又佔空間, 不過 ENIAC 的發明不僅為日後的電腦發展奠下基礎, 也宣告了『資訊化』時代的來臨。 • ENIAC 出現後, 1951 年第一部商用電腦 UNIVACI 誕生了, 這部電腦為美國人口普查局處理人口統計的資料, 前後共運轉了 12 年。而 ENIAC 則運轉了約十年, 於 1955 年 10 月 2 日退休。

  35. 1-2-2 真空管電腦 －第 1 代電腦 (1946 ~ 1953) • 台灣第一台電腦, 是交通大學於民國 50 年引進 IBM 650 (1954年推出, 屬於真空管電腦)。

  36. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 1947 年, 貝爾實驗室的三位科學家 John Bardeen 、Walter Brattain 及William Shockley 發明了電晶體 (Transistor)。 • 由於電晶體與真空管比起來, 耗電少、體積小、穩定度又高, 因此逐漸被大量應用在電子學的領域, 且不久後便取代了真空管的地位。

  37. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963)

  38. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 電晶體的發明開啟了半導體科學的突破與發展, John Bardeen、Walter Brattain與 William Shockley 三人也因此獲得了1956 年的諾貝爾物理獎。而 John Bardeen 在 1972 年更因為超導理論獲得第二次諾貝爾物理獎, 成為目前唯一獲得兩次諾貝爾物理獎的科學家。

  39. 1-2-3 電晶體電腦 －第 2 代電腦 (1954 ~ 1963) • 1954 年, 貝爾實驗室使用電晶體製造了世界上第一部電晶體電腦, 讓電腦的發展又往前進了一步。此電腦中有 800 個電晶體, 體積及重量都較真空管電腦小, 而加法運算的速度則可達到 10-6秒。

  40. 1-2-4 積體電路電腦 －第 3 代電腦 (1964 ~ 1970) • 1964 年 IBM 向全世界宣布, 使用積體電路 (IC, Integrated Circuit) 研製成功的 IBM 360 系列電腦正式推出, 是第三代電腦的開始。 • 一片積體電路可以取代數個電晶體的功用, 因此第三代電腦的體積變小了許多, 重量也輕了許多, 運算速度則較電晶體電腦快了數百倍, 可達到10-8 秒, 然而價格卻更為便宜, 電腦不斷朝更快、更小、價格更低發展。

  41. 1-2-4 積體電路電腦 －第 3 代電腦 (1964 ~ 1970)

  42. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 由於積體電路技術不斷的改良, 延伸出高密度 IC, 稱為『超大型積體電路 (VLSI, Very Large Scale Integrated Circuit)』。超大型積體電路能容納比積體電路更多的元件, 每平方公分可容納數千至數萬個電子元件。 • 1971 年美國英特爾(Intel) 公司成功的將電腦中負責處理運算及控制部分的電子元件, 設計到一片 VLSI 晶片上, 發展出 『微處理器 (Microprocessor)』, 而第 4 代電腦便是使用微處理器做為電腦的中央處理單元 (CPU)。

  43. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 目前設計微處理器的廠商, 也不僅止於英特爾公司, 還有 AMD、IBM、威盛 (VIA)...等。 • 在這之前, 電腦只有大型電腦、迷你電腦等種類 (關於電腦的種類請參考1-3 節), 不論體積或售價, 都不是一般人所能負擔。不過微處理器使電腦的體積大幅縮小, 因而促成個人電腦 (PC, Personal Computer) 的推出, 每個人都能擁有電腦的時代於是來臨。

  44. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 最早被用來當成個人電腦 CPU 的微處理器是英特爾公司於 1974 推出的8080, 此後個人電腦的發展更加迅速。1981 年 IBM公司推出的 IBM PC 使用 Intel 8088 微處理器, 1983 年則開始加入 Intel 8086 微處理器, 1984 年以後使用 Intel 80286、80386、80486 的個人電腦陸續推出, 直到今日採用 Pentium、Core i7、Athlon、Phenom...等各種不同微處理器的個人電腦。

  45. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在)

  46. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 因為英特爾早期推出的個人電腦微處理器都是以 "86" 做為結尾, 這一系列的微處理器皆具備類似的架構而且向下相容 (新的可以相容舊的, 例如 80486 可以執行原本使用於 80386 的指令), 所以被稱為 x86 架構。x86 是目前個人電腦中最廣為使用的架構, 其他廠商製造的個人電腦微處理器也大多相容於 x86 架構。

  47. 1-2-5 微處理器電腦 －第 4 代電腦 (1971 ~ 現在) • 目前市面上的 Core i7、Phenom 等 x86 架構的微處理器, 都兼具 32、64 位元的功能, 此類由x86 擴充而來的 64 位元架構稱為 x86-64, 但也有人直接稱之為 x64 。

  48. 1-2-6 未來趨勢 －第 5 代人工智慧電腦 • 這幾年, 電腦不斷的朝體積小、儲存容量大、速度快、準確性高、功能強大、價格便宜等方向發展。 • 但電腦仍有其功能上的限制：人類無法解決的問題, 電腦也無法解決, 問題必須被量化、有正確的資料輸入、給予正確的解題方法 (程式、指令), 才能產生正確的輸出結果。也就是說, 電腦沒有人類的 『智慧』, 無法自行思考、累積知識、創造知識。

  49. 1-2-6 未來趨勢 －第 5 代人工智慧電腦 • 因此, 電腦在擁有高速運算的效能後, 未來的發展便朝向所謂具有 『人工智慧(AI, Artificial Intelligence) 』的第 5 代電腦：使用極大型積體電路、人工智慧、平行處理等技術, 能了解人類口語, 具有推理、累積知識能力的電腦。 • 第 5 代電腦與前四代發展不同, 其追求的不是物理性的體積縮小, 或性能上的速度加快, 而是根本能力上的改變, 因此所需突破的技術層面更高。目前能做到的只是讓電腦更方便使用、更人性化, 離真正的目標還有一段距離。

  50. 人工智慧 • 人工智慧的概念最早由 Alan Turing 提出, 並於 1956 年達特茅斯 (Dartmouth) 研討會中經多位學者討論後定名, 其主要的目的在於 『讓電腦能夠像人類一樣思考、推理及行動』。 • 目前人工智慧發展最大的問題在於：人類如何思考, 若我們無法先了解人類的思考方式, 又如何讓電腦思考？

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