鸟叔菜谱之计算机硬件的五大单元

本节索引：

计算机硬件的五大单元
CPU架构
其他单元设备
运作流程
计算机用途分类
计算机常用计算单位

计算机的本质：

接受用户输入指令与数据，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

计算机硬件的五大单元

计算机的的硬件由三部分组成分别为：

输入单元：包括鼠标，键盘，扫描仪等等；
系统单元：被主机机壳保护住了，里面含有一堆板子、CPU 与主存储器等；
输出单元：例如屏幕、打印机等等；

上图的系统单元其实指的就是计算机机壳内的主要组件，而重点在于 CPU 与主存储器。

CPU架构

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

目前世界上常见到的两种主要 CPU 架构:分别是：精简指令集 (RISC) 与复杂指令集 (CISC) 系统

精简指令集

这种 CPU 的设计中，微指令集较为精简，每个指令的运行时间都很短，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:
```
甲骨文 (Oracle) 公司的 SPARC 系列:  用于学术领域的大型工作站,包括银行金融体系的主服务器
IBM 公司的 Power Architecture (包括 PowerPC) 系列:  索尼的PS3就是使用这种CPU
安谋公司 (ARM Holdings) 的 ARM 列：各大品牌的手机，导航系统，网络设备都是使用 ARM架构的CPU
```
目前世界上使用范围最广的 CPU 可能就是 ARM 这种架构的呢
复杂指令集
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。

由于 AMD、Intel、VIA 所开发出来的 x86 架构 CPU 被大量使用于个人计算机(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 8)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

Tips ：所谓的位指的是CPU一次数据读取的最大量！64位CPU代表CPU一次可以读写64bits
这么多的数据，32 位 CPU 则是 CPU 一次只能读取 32 位的意思。因为 CPU 读取数据量有限制，因此能够从内存
中读写的数据也就有所限制。所以，一般 32 位的 CPU 所能读写的最大数据量，大概就是 4GB 左右。

不同的 x86 架构的 CPU 有差异：除了 CPU 的整体结构(如第二层快取、每次运作可执行的指令数等)之外，主要是在于微指令集的不同。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！由于电费越来越高，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

其他单元设备

其他单元的重要设备主要有

系统单元：系统单元包括 CPU 与内存及主板相关组件。而主板上头其实还有很多的连接界面与相关的适配卡，包括的 PCI-E 10G 网络卡、磁盘阵列卡、还有显示适配器等等。尤其是显示适配器，这东西对于玩 3D 游戏来说是非常重要的一环，他与显示的精致度、色彩与分辨率都有关系。
记忆单元：包括主存储器 (main memory, RAM) 与辅助内存，其中辅助内存其实就是大家常听到的“储存装置“包括硬盘、软盘、光盘、磁带等等的。
输入、输出单元：同时涵盖输入输出的设备最常见的大概就是触摸屏了。至于单纯的输入设备包括前面提
到的键盘鼠标之外，目前的体感装置也是重要的输入设备喔！至于输出设备方面，除了屏幕外，打印机、
音效喇叭、HDMI 电视、投影机、蓝芽耳机等等，都算喔

运作流程

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；
主存储器=脑袋中放置正在被思考的数据的区块：在实际活动过程中，我们的脑袋瓜子需要有外界刺激的数
据 (例如光线、环境、语言等) 来分析，那这些互动数据暂时存放的地方就是主存储器，主要是用来提供给
脑袋瓜子判断用的信息。
硬盘=脑袋中放置回忆的记忆区块：跟刚刚的主存储器不同，主存储器是提供脑袋目前要思考与处理的信息，
但是有些生活琐事或其他没有要立刻处理的事情，就当成回忆先放置到脑袋的记忆深处吧！那就是硬盘！
主要目的是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(主板)传导给手脚来进行活动啊！
各项接口设备=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！
显示适配器=脑袋中的影像：将来自眼睛的刺激转成影像后在脑袋中呈现，所以显示适配器所产生的数据源
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！

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 与主存储器，而 CPU 的数据源通通来自于主存储器，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(主存储器)当中，再交由 CPU 来判断喔

计算机用途分类

超级计算机：运算速度最快，价格最高，主要运用与需要高速计算的计划中，用于国防军事，天气预测，太空科技等；
大型计算机：拥有数个高速CPU，用来处理大量资料和复杂运算。用于大型企业主机，全国性证券交易所等；
迷你计算机：在保有大型计算机同时支持多用户的特性，用于科学研究，工程分析等
工作站：针对特殊用途而设计的计算机，工作站的性能/价格比是所有计算机当中较佳的，用于学术研究与工程分析；
个人计算机：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

tips：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指令周期
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虑与个人计算机并不相同啦！这也是为啥工作站等级以上的计算机售价较贵
的原因。

计算机常用计算单位

计算机的运算能力除了 CPU 微指令集设计的优劣之外，但主要还是由速度来决定的。至于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：

计算机对数据的判断主要依据有没有通电来记录信息，所以理论上对于每一个纪录单位而言，它只认识 0 与 1 而已。0/1 这个二进制的的单位我们称为 bit。但 bit 实在太小了，所以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
速度单位：

CPU 的指令周期常使用 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，由于网络使用的是 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 20M/5M 光世代传输速度，如果转成文件容量的 byte 时，
其实理论最大传输值为：每秒 2.5Mbyte/ 每秒 625Kbyte 的下载/上传速度喔！