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计算机:辅助人脑的好工具

进入二十一世纪的现在,没有用过计算机的朋友应该算很少了吧?但是,你了解计算机是什么吗? 计算机的机壳里面含有什么组件?不同的计算机可以作什么事情?你生活周遭有哪些电器用品内部是含有计算机相关组件的? 底下我们就来谈一谈这些东西呢!

所谓的电脑就是一种计算机,而计算机其实是:『接受使用者输入指令与数据, 经由中央处理器的数学与逻辑单元运算处理后,以产生或储存成有用的信息』。 因此,只要有输入设备 (不管是键盘还是触控式萤幕)及输出设备(萤幕或直接打印出来),让你可以输入数据使该机器产生信息的, 那就是一部计算机了。

计算机的功能

图1.1.1、计算机的功能

根据这个定义你知道哪些东西是计算机了吗?包括一般商店用的简易型加减乘除计算机、打电话用的手机、开车用的卫星定位系统 (GPS)、提款用的提款机 (ATM)、你常使用的桌上型个人计算机、可携带的笔记型计算机还有这两年 (2008, 2009) 很火红的 Eee PC (或称为 netbook) 等等,这些都是计算机!

那么计算机主要的组成组件是什么呢?底下我们以常见的个人计算机来作为说明。

计算机硬件的五大单元
关於计算机的组成部分,其实你可以观察你的桌上型计算机分析一下,依外观来说这家伙主要分为三部分:

输入单元:包括键盘、鼠標、读卡机、扫描器、手写板、触控萤幕等等一堆;
主机部分:这个就是系统单元,被主机机壳保护住了,里面含有 CPU 与主内存等;
输出单元:例如萤幕、打印机等等

我们主要透过输入设备如鼠标与键盘来将一些数据输入到主机里面,然后再由主机的功能处理成为图表或文章等信息后, 将结果传输到输出设备,如萤幕或印表机上面。重点在於主机里面含有什么组件呢?如果你曾经拆开过计算机主机机壳, 会发现其实主机里面最重要的就是一片主机板,上面安插了中央处理器 (CPU) 以及主内存还有一些介面卡装置而已。

整部主机的重点在於中央处理器 (Central Processing Unit, CPU),CPU 为一个具有特定功能的芯片, 里头含有微指令集,如果你想要让主机进行什么特异的功能,就得要参考这颗 CPU 是否有相关内建的微指令集才可以。 由於 CPU 的工作主要在於管理与运算,因此在 CPU 内又可分为两个主要的单元,分别是: 算数逻辑单元与控制单元。(注1) 其中算数逻辑单元主要负责程序运算与逻辑判断,控制单元则主要在协调各周边组件与各单元间的工作。

既然 CPU 的重点是在进行运算与判断,那么要被运算与判断的数据是从哪里来的? CPU 读取的数据都是从主内存来的! 主内存内的数据则是从输入单元所传输进来!而 CPU 处理完毕的数据也必须要先写回主内存中, 最后数据才从主内存传输到输出单元。

综合上面所说的,我们会知道其实计算机是由几个单元所组成的,包括输入单元、 输出单元、CPU内部的控制单元、算数逻辑单元与主内存五大部分。 相关性如下所示:

计算机的五大单元

图1.1.2、计算机的五大单元

上面图示中的『系统单元』其实指的就是计算机机壳内的主要组件,而重点在於CPU与主内存。 特别要看的是实线部分的传输方向,基本上数据都是流经过主内存再转出去的! 至於数据会流进/流出内存则是CPU所发布的控制命令!而CPU实际要处理的数据则完全来自於主内存! 这是个很重要的概念喔!

而由上面的图示我们也能知道,所有的单元都是由CPU内部的控制单元来负责协调的,因此CPU是整个计算机系统的最重要部分! 那么目前世界上有哪些主流的CPU呢?是否刚刚我们谈到的硬件内全部都是相同的CPU种类呢?底下我们就来谈一谈。

CPU的种类
如前面说过的,CPU其实内部已经含有一些小指令集,我们所使用的软件都要经过CPU内部的微指令集来达成才行。 那这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念,这就是目前世界上常见到的两种主要CPU种类: 分别是精简指令集(RISC)与复杂指令集(CISC)系统。底下我们就来谈谈这两种不同CPU种类的差异!

精简指令集(Reduced Instruction Set Computer, RISC):(注3)
这种CPU的设计中,微指令集较为精简,每个指令的执行时间都很短,完成的动作也很单纯,指令的执行效能较佳; 但是若要做复杂的事情,就要由多个指令来完成。常见的RISC微指令集CPU主要例如升阳(Sun)公司的SPARC系列、 IBM公司的Power Architecture(包括PowerPC)系列、与ARM系列等。

在应用方面,SPARC架构的计算机常用於学术领域的大型工作站中,包括银行金融体系的主要服务器也都有这类的计算机架构; 至於PowerPC架构的应用上,例如新力(Sony)公司出产的Play Station 3(PS3)就是使用PowerPC架构的Cell处理器; 那ARM呢?你常使用的各厂牌手机、PDA、导航系统、网络设备(交换器、路由器等)等,几乎都是使用ARM架构的CPU喔! 老实说,目前世界上使用范围最广的CPU可能就是ARM呢! (注4)

复杂指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC):(注5)
与RISC不同的,CISC在微指令集的每个小指令可以执行一些较低阶的硬件操作,指令数目多而且复杂, 每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长, 但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架构的CPU。

由於AMD、Intel、VIA所开发出来的x86架构CPU被大量使用於个人计算机(Personal computer)用途上面, 因此,个人计算机常被称为x86架构的计算机!那为何称为x86架构(注6)呢? 这是因为最早的那颗Intel发展出来的CPU代号称为8086,后来依此架构又开发出80286, 80386…, 因此这种架构的CPU就被称为x86架构了。

在2003年以前由Intel所开发的x86架构CPU由8位升级到16、32位,后来AMD依此架构修改新一代的CPU为64位, 为了区别两者的差异,因此64位的个人计算机CPU又被统称为x86_64的架构喔!

那么不同的x86架构的CPU有什么差异呢?除了CPU的整体结构(如第二层缓存、每次运作可执行的指令数等)之外, 主要是在於微指令集的不同。新的x86的CPU大多含有很先进的微指令集, 这些微指令集可以加速多媒体程序的运作,也能够加强虚拟化的效能,而且某些微指令集更能够增加能源效率, 让CPU耗电量降低呢!由於电费越来越高,购买计算机时,除了整体的效能之外, 节能省电的CPU特色也可以考虑喔!

例题:
最新的Intel/AMD的x86架构中,请查询出多媒体、虚拟化、省电功能各有哪些重要的微指令集?(仅供参考)
答:
多媒体微指令集:MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, AMD-3DNow!
虚拟化微指令集:Intel-VT, AMD-SVM
省电功能:Intel-SpeedStep, AMD-PowerNow!
64/32位相容技术:AMD-AMD64, Intel-EM64T

周边设备
单有CPU也无法运作计算机的,所以计算机还需要其他的周边设备才能够实际运作。 除了前面稍微提到的输入/输出设备,以及CPU与主内存之外,还有什么周边设备呢? 其实最重要的周边设备是主机板!因为主机板负责将所有的设备通通连接在一起,让所有的设备能够进行协调与沟通。 而主机板上面最重要的组件就是主机板芯片组!这个芯片组可以将所有的设备汇集在一起!

其他重要的设备还有:
储存装置:储存装置包括硬盘、软盘、光盘、磁带等等;
显示装置:显示卡对於玩3D游戏来说是非常重要的一环,他与显示的精致度、色彩与解析度都有关系;
网络装置:没有网络活不下去啊!所以网络卡对於计算机来说也是相当重要的!

更详细的各项周边装置我们将在下个小节进行介绍!在这里我们先来了解一下各组件的关系! 那就是,计算机是如何运作的呢?

运作流程
如果不是很了解计算机的运作流程,鸟哥拿个简单的想法来思考好了~ 假设计算机是一个人体,那么每个组件对应到那个地方呢?可以这样思考:

各组件运作
图1.4.1、各组件运作

CPU=脑袋瓜子:每个人会作的事情都不一样(微指令集的差异), 但主要都是透过脑袋瓜子来进行判断与控制身体各部分的活动;

主内存=脑袋中的记录区块:在实际活动过程中,我们的脑袋瓜子能够将外界的互动暂时记录起来, 提供CPU来进行判断;

硬盘=脑袋中的记忆区块:将重要的数据记录起来,以便未来将这些重要的经验再次的使用;

主机板=神经系统:好像人类的神经一样,将所有重要的组件连接起来,包括手脚的活动都是脑袋瓜子发布命令后, 透过神经(主机板)传导给手脚来进行活动啊!

各项周边设备=人体与外界沟通的手、脚、皮肤、眼睛等:就好像手脚一般,是人体与外界互动的重要关键!

显示卡=脑袋中的影像:将来自眼睛的刺激转成影响后在脑袋中呈现,所以显示卡所产生的数据来源也是CPU控制的。

电源供应器 (Power)=心脏:所有的组件要能运作得要有足够的电力供给才行!这电力供给就好像心脏一样,如果心脏不够力, 那么全身也就无法动弹的!心脏不稳定呢?那你的身体当然可能断断续续的~不稳定!

由这样的关系图当中,我们知道整个活动中最重要的就是脑袋瓜子! 而脑袋瓜子当中与现在正在进行的工作有关的就是CPU与主内存!任何外界的接触都必须要由脑袋瓜子中的主内存记录下来, 然后给脑袋中的CPU依据这些数据进行判断后,再发布命令给各个周边设备!如果需要用到过去的经验, 就得由过去的经验(硬盘)当中读取罗!

也就是说,整个人体最重要的地方就是脑袋瓜子,同样的,整部主机当中最重要的就是CPU与主内存, 而CPU的数据来源通通来自於主内存,如果要由过去的经验来判断事情时, 也要将经验(硬盘)挪到目前的记忆(主内存)当中,再交由CPU来判断喔!这点得要再次的强调啊! 下个章节当中,我们就对目前常见的个人计算机各个组件来进行说明!

计算机分类

知道了计算机的基本组成与周边装置,也知道其实计算机的CPU种类非常的多,再来我们想要了解的是,计算机如何分类? 计算机的分类非常多种,如果以计算机的复杂度与运算能力进行分类的话,主要可以分为这几类:

超级计算机(Supercomputer)
超级计算机是运作速度最快的计算机,但是他的维护、操作费用也最高!主要是用於需要有高速计算的计画中。 例如:国防军事、气象预测、太空科技,用在模拟的领域较多。详情也可以参考: 国家高速网络与计算中心http://www.nchc.org.tw的介绍! 至於全世界最快速的前500大超级计算机,则请参考:http://www.top500.org

大型计算机(Mainframe Computer)
大型计算机通常也具有数个高速的CPU,功能上虽不及超级计算机,但也可用来处理大量数据与复杂的运算。 例如大型企业的主机、全国性的证券交易所等每天需要处理数百万笔数据的企业机构, 或者是大型企业的数据库服务器等等。

迷你计算机(Minicomputer)
迷你计算机仍保有大型计算机同时支持多使用者的特性,但是主机可以放在一般作业场所, 不必像前两个大型计算机需要特殊的空调场所。通常用来作为科学研究、工程分析与工厂的流程管理等。

工作站(Workstation)
工作站的价格又比迷你计算机便宜许多,是针对特殊用途而设计的计算机。在个人计算机的效能还没有提升到目前的状况之前, 工作站计算机的性能/价格比是所有计算机当中较佳的,因此在学术研究与工程分析方面相当常见。

微计算机(Microcomputer)
又可以称为个人计算机,也是我们这里主要探讨的目标!体积最小,价格最低,但功能还是五脏俱全的! 大致又可分为桌上型、笔记型等等。
若光以效能来说,目前的个人计算机效能已经够快了,甚至已经比工作站等级以上的计算机运算速度还要快! 但是工作站计算机强调的是稳定不当机,并且运算过程要完全正确,因此工作站以上等级的计算机在设计时的考量与个人计算机并不相同啦! 这也是为啥工作站等级以上的个人计算机售价较贵的原因。

计算机上面常用的计算单位 (容量、速度等)
计算机的运算能力是由速度来决定的,而存放在计算机储存设备当中的数据容量也是有单位的。

容量单位
计算机依有没有通电来记录信息,所以理论上它只认识 0 与 1 而已。0/1 的单位我们称为 bit。但 bit 实在太小了, 并且在储存数据时每份简单的数据都会使用到 8 个 bits 的大小来记录,因此定义出 byte 这个单位,他们的关系为:

1 Byte = 8 bits

不过同样的,Byte 还是太小了,在较大的容量情况下,使用 byte 相当不容易判断数据的大小,举例来说,1000000 bytes 这样的显示方式你能够看得出有几个零吗?所以后来就有一些常见的简化单位表示法,例如 K 代表 1024,M 代表 1024K 等。 而这些单位在不同的进位制下有不同的数值表示,底下就列出常见的单位与进位制对应:

进位制 K M G T P
二进位 1024 1024K 1024M 1024G 1024T
十进位 1000 1000K 1000M 1000G 1000T
一般来说,档案容量使用的是二进位的方式,所以 1 GBytes 的档案大小实际上为:1024x1024x1024 Bytes 这么大! 速度单位则常使用十进位,例如 1GHz 就是 1000x1000x1000 Hz 的意思。

速度单位

CPU的运算速度常使用 MHz 或者是 GHz 之类的单位,这个 Hz 其实就是秒分之一。而在网络传输方面,由於网络使用的是 bit 为单位,因此网络常使用的单位为 Mbps 是 Mbits per second,亦即是每秒多少 Mbit。举例来说,大家常听到的 8M/1M ADSL 传输速度,如果转成档案容量的 byte 时,其实理论最大传输值为:每秒 1Mbyte/ 每秒125Kbyte的上传/下载容量喔!

例题:
假设你今天购买了500GB的硬盘一颗,但是格式化完毕后却只剩下460GB左右的容量,这是什么原因?
答:
因为一般硬盘制造商会使用十进位的单位,所以500GByte代表为50010001000*1000Byte之意。 转成档案的容量单位时使用二进位(1024为底),所以就成为466GB左右的容量了。

硬盘厂商并非要骗人,只是因为硬盘的最小物理量为512Bytes,最小的组成单位为磁区(sector), 通常硬盘容量的计算采用『多少个sector』,所以才会使用十进位来处理的。相关的硬盘信息在这一章后面会提到的!

参考数据与延伸阅读
注1:对於CPU的原理有兴趣的读者,可以参考维基百科的说明:
英文CPU(http://en.wikipedia.org/wiki/CPU)
中文CPU(http://zh.wikipedia.org/wiki/中央处理器)
注2:图片参考:作者:陈锦辉,『计算机概论-探索未来2008』,金禾信息,2007出版
注3:更详细的RISC架构可以参考维基百科:
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=精简指令集&variant=zh-tw
注4:关於ARM架构的说明,可以参考维基百科:
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=ARM架构&variant=zh-tw
注5:更详细的CISC架构可参考维基百科:
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=CISC&variant=zh-tw
注6:更详细的x86架构发展史可以参考维基百科:
http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=X86&variant=zh-tw

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