計算機 - 元件

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計算機系統由三個元件組成：中央處理單元、輸入裝置和輸出裝置。輸入裝置將資料提供給處理器（處理單元），處理器處理資料並生成有用的資訊，這些資訊透過輸出裝置顯示給使用者。輸出裝置用於在計算機螢幕上或列印形式上向用戶顯示處理後的資料。下圖描繪了計算機系統的主要元件：

圖：計算機系統的元件

中央處理單元

中央處理單元 (CPU) 也被稱為“計算機的大腦”。它控制著計算機所有元件的操作。

圖：中央處理單元

CPU 本身具有三個元件，如下所示：

• 控制單元 (CU)

• ALU（算術邏輯單元）

• 記憶體或儲存單元

控制單元

顧名思義，控制單元充當 CPU 的“大腦”。它執行指令並管理 CPU 內部的資料流，以執行計算機程式指定的任務。它在取指令-解碼-執行週期中發揮著關鍵作用，這是一個 CPU 執行程式指令的基本過程。

控制單元的功能

• 指令獲取 - 要執行和執行程式；CU 從 RAM（隨機存取儲存器）中獲取指令。

• 指令解碼 - 它解碼獲取的指令以確定要執行的操作。

• 指令執行 - CU 透過向 CPU 內部的適當功能單元（例如，用於算術和邏輯運算的 ALU）傳送控制訊號來執行指令

• 控制流管理 - 控制單元負責監督程式的控制流。它透過更新程式計數器來實現這一點，程式計數器使 CPU 能夠根據條件語句或跳轉轉到序列中的下一條指令。

• 異常處理 - 系統透過適當地將中央處理單元 (CPU) 的控制流轉移到管理此類異常的計劃程式，從而有效地管理異常和中斷，包括硬體故障、系統呼叫和外部事件。

• 流水線控制（在流水線 CPU 中） - 現代 CPU 採用流水線設計；CU 控制流水線的步驟，並確保指令快速安全地處理。

• 同步 - 在多核處理器的上下文中，CU 在促進跨多個核心的指令執行協調方面發揮著至關重要的作用，從而確保適當的同步和資料一致性的維護。

算術邏輯單元 (ALU)

算術邏輯單元 (ALU) 是一個元件，它已被廣泛最佳化和設計以同時執行多個任務。它通常被構建為快速執行操作。它與其他 CPU 元件（例如暫存器、記憶體和控制單元）協同工作以執行復雜的指令。

ALU 的功能

• 算術運算 - ALU 可以執行基本的算術運算，例如加法、減法、乘法和除法。

• 邏輯運算 - ALU 還可以執行邏輯運算，如 AND、OR、NOT、XOR 和位移運算。

• 比較 - ALU 可以比較兩個二進位制值，並確定它們是否相等、大於或小於彼此。此功能在程式設計和排序演算法中得到最廣泛的應用。

記憶體單元

記憶體或儲存單元是一個硬體元件，用於儲存資料和指令，並在需要時檢索它們。主要地，計算機記憶體被分類為臨時記憶體（RAM）和永久記憶體（輔助儲存器）。RAM 用於短期、快速的資料訪問，對於活動程式的執行至關重要。另一方面，儲存器或輔助儲存器提供永久資料儲存。因此，記憶體和儲存單元都是計算機系統的重要組成部分。

記憶體的功能

記憶體（RAM - 隨機存取儲存器）

• RAM 也稱為主儲存器或臨時儲存器；它是一種易失性儲存器，用於臨時儲存資料。

• 當計算機電源關閉或重新啟動時，RAM 中的內容會被擦除。

• RAM 用於程式或指令執行。

• 一旦我們啟動計算機；系統必要的檔案、程式和作業系統檔案被載入到 RAM 中，以確保計算機平穩執行。

• 計算機的 RAM 越大，它處理多工的能力就越強，執行應用程式的速度就越快，因為資料可以更快地訪問。

儲存（硬碟、SSD、快閃記憶體驅動器等）

• 儲存裝置用於永久儲存資料，即使計算機關閉時也是如此。

• 它們本質上是非易失性的；即使電源關閉或系統重新啟動，資料也能保持完整。

• 最流行和最常用的儲存裝置是硬碟 (HD)、固態硬碟 (SSD)、USB 快閃記憶體驅動器和光碟（例如 DVD）、U 盤。

• 這些裝置的資料儲存容量從千兆位元組 (GB) 到太位元組 (TB) 甚至更多，具體取決於儲存裝置的型別和大小。

輸入裝置

用於向計算機系統提供輸入的裝置稱為輸入裝置。

鍵盤

鍵盤是最常見且非常流行的輸入裝置，它有助於將資料輸入到計算機中。鍵盤的佈局類似於傳統的打字機，儘管提供了一些額外的按鍵來執行其他功能。有不同型別的鍵盤；每個都針對特定用途而設計。

• QWERTY 鍵盤 - QWERTY 是最常用的鍵盤。它以鍵盤頂行前六個字母命名。

QWERTY 鍵盤通常在個人計算機中找到，並且被認為是打字機的標準配置。這些裝置專門設計用於一般的打字任務。

• 機械鍵盤 - 機械鍵盤上的每個按鍵都有一個機械開關。不同型別的開關提供不同級別的觸覺反饋和觸發力。

打字員和需要精確且舒適打字型驗的遊戲玩家喜歡這些開關，因為它們提供觸覺和聲音反饋。

• 薄膜鍵盤 - 筆記型電腦和廉價桌上型電腦鍵盤採用薄膜鍵盤。按下時，按鍵會接觸到按鍵下方的橡膠或矽膠膜以記錄擊鍵。

• 人體工程學鍵盤 - 長時間打字會導致肌肉緊張和不適；人體工程學鍵盤專門設計用於緩解這些問題。

這些包括分離式鍵盤和輪廓鍵盤，它們彎曲以適合自然的手部姿勢。

• 遊戲鍵盤 - 遊戲鍵盤針對遊戲效能進行了最佳化。

它們通常具有可更改的照明、可程式設計按鍵和防鬼鍵技術，以防止在快速遊戲過程中錯失按鍵。一些遊戲鍵盤包括機械開關，以實現更快的響應速度。

• 無線鍵盤 - 無線鍵盤使用藍牙或射頻連線到計算機和其他裝置，無需電線。

筆記型電腦、平板電腦和智慧電視使用它們來實現便利性和移動性。

• 虛擬鍵盤 - 基於軟體的虛擬鍵盤用於智慧手機和平板電腦。點選或滑動虛擬按鍵以輸入文字或方向。

• 摺疊鍵盤 - 摺疊鍵盤便攜且方便。

旅行者和需要小鍵盤的人可以摺疊或包裹它們以進行儲存和運輸。

鍵盤上的按鍵

下表描述了鍵盤上的不同按鍵，如下所示：

滑鼠

滑鼠是最流行的輸入裝置。它也被稱為指向裝置。它是一種非常著名的游標控制裝置，具有一個小型手掌大小的盒子，底部有一個圓球，該圓球感應滑鼠的移動，並在按下滑鼠按鈕時向 CPU 傳送相應的訊號。通常，它有兩個按鈕，稱為左按鈕和右按鈕，按鈕之間有一個滾輪。滑鼠可用於控制螢幕上游標的位置，但不能用於將文字輸入到計算機中。

最常見的滑鼠型別如下：

• 光學滑鼠 - 光學滑鼠透過 LED 燈和感測器檢測運動。它們可以在許多表面上工作，並且是最常見的滑鼠。

• 軌跡球滑鼠 - 軌跡球滑鼠頂部有一個靜止的球，使用者可以用手指或拇指滾動。

移動控制螢幕游標。當空間或精度受限時，使用軌跡球滑鼠。

• 無線滑鼠 - 藍牙或 USB 接收器將無線滑鼠連線到計算機和裝置。它們是無繩的，因此移動更加自由。

無線滑鼠可以充電或使用一次性電池。

• 有線滑鼠 − 它們無需電池或無線連線即可工作，對於不想擔心訊號干擾的使用者來說，是不錯的解決方案。它們使用物理線纜連線到計算機。

• 遊戲滑鼠 − 遊戲滑鼠具有可配置按鈕、可調節DPI和符合人體工程學的符合人體工程學設計，方便長時間使用。遊戲滑鼠針對快速、精確的移動進行了最佳化。

操縱桿

操縱桿也是一種指向裝置，用於移動顯示器螢幕上的游標位置。它是一個杆，其上下兩端都帶有球形球。下方的球形球在一個插座中移動。操縱桿可以向四個方向移動。

操縱桿的功能類似於滑鼠。它主要用於計算機輔助設計 (CAD) 和玩電腦遊戲。

光筆

光筆是一種類似於筆的指向裝置。它用於選擇顯示的選單項或在監視器螢幕上繪製圖片。它由一個光電管和一個放置在小管中的光學系統組成。

當光筆的筆尖在監視器螢幕上移動並按下筆按鈕時，其光電管感測元件會檢測螢幕位置並將相應的訊號傳送到CPU。

軌跡球

軌跡球是一種輸入裝置，主要用於筆記型電腦或行動式電腦，而不是滑鼠。這是一個半插入的球，透過在球上移動手指，可以移動指標。

由於整個裝置沒有移動，因此軌跡球比滑鼠需要的空間更少。軌跡球有多種形狀，例如球形、按鈕形或方形。

掃描器

掃描器是一種輸入裝置，其工作原理更像是影印機。當某些資訊以紙質形式提供，並且需要將其傳輸到計算機的硬碟以供進一步處理時，可以使用它。

掃描器從源捕獲影像，然後將其轉換為可以儲存在磁碟上的數字形式。在列印這些影像之前，可以對其進行編輯。

數字化儀

數字化儀是一種將模擬資訊轉換為數字形式的輸入裝置。數字化儀可以將來自電視或攝像機的訊號轉換為一系列數字，這些數字可以儲存在計算機中。計算機可以使用它們來建立攝像機指向的任何事物的圖片。

數字化儀也稱為平板電腦或繪圖板，因為它將圖形和圖片資料轉換為二進位制輸入。作為數字化儀的圖形平板電腦用於精細的繪圖和影像處理應用程式。

麥克風

麥克風是一種輸入聲音的輸入裝置，然後將其儲存為數字形式。

麥克風用於各種應用，例如向多媒體簡報新增聲音或混合音樂。

磁墨水字元識別器 (MICR)

MICR 輸入裝置通常用於銀行，因為每天需要處理大量的支票。銀行程式碼號碼和支票號碼用特殊型別的墨水印在支票上，該墨水包含可機讀的磁性材料顆粒。

此讀取過程稱為磁墨水字元識別 (MICR)。MICR 的主要優點是速度快且錯誤率低。

光學字元識別器 (OCR)

OCR 是一種用於讀取印刷文字的輸入裝置。

OCR 光學掃描文字，逐個字元地進行掃描，將其轉換為機器可讀程式碼，並將文字儲存在系統記憶體中。

條形碼閱讀器

條形碼閱讀器是一種用於讀取條形碼資料（以明暗線條形式存在的資料）的裝置。條形碼資料通常用於商品標籤、書籍編號等。它可以是手持式掃描器，也可以嵌入固定式掃描器中。

條形碼閱讀器掃描條形碼影像，將其轉換為字母數字值，然後饋送到條形碼閱讀器連線的計算機。

游標閱讀器 (OMR)

OMR 是一種特殊型別的光學掃描器，用於識別筆或鉛筆所做的標記型別。它用於在少數備選方案中選擇並標記其中一個。

它專門用於檢查選擇題考試的答題紙。

輸出裝置

以下是計算機中使用的一些重要的輸出裝置。

• 顯示器

• 圖形繪圖儀

• 印表機

顯示器

顯示器，通常稱為視覺顯示單元 (VDU)，是計算機的主要輸出裝置。它從稱為畫素的小點形成影像，這些畫素以矩形形式排列。影像的清晰度取決於畫素的數量。

顯示器使用兩種型別的觀看螢幕。

• 陰極射線管 (CRT)

• 平板顯示器

陰極射線管 (CRT) 顯示器

CRT 顯示器由稱為畫素的小影像元素組成。畫素越小，影像清晰度或解析度越高。形成一個完整的字元（例如單詞“help”中的字母“e”）需要多個發光的畫素。

一次可以在螢幕上顯示有限數量的字元。螢幕可以分為一系列字元框 - 螢幕上字元可以放置的固定位置。大多數螢幕能夠水平顯示 80 個數據字元和垂直顯示 25 行。

CRT 有一些缺點 -

• 尺寸大

• 功耗高

平板顯示器

平板顯示器指的是一類影片裝置，與 CRT 相比，其體積、重量和功耗都降低了。您可以將它們掛在牆上或戴在手腕上。平板顯示器的當前用途包括計算器、影片遊戲、顯示器、筆記型電腦和圖形顯示。

平板顯示器分為兩類 -

• 發射顯示器 − 發射顯示器是將電能轉換為光的裝置。例如，等離子顯示面板和 LED（發光二極體）。

• 非發射顯示器 − 非發射顯示器使用光學效應將陽光或其他光源的光轉換為圖形圖案。例如，LCD（液晶顯示器）。

圖形繪圖儀

計算機圖形和工程應用使用圖形繪圖儀在紙張或其他介質上建立高質量、準確和詳細的圖形或圖。它可以精確地繪製連續線，並且適合向量圖形，這與標準印表機不同。圖形繪圖儀的主要特點如下 -

• 向量圖形 − 向量圖形允許圖形繪圖儀使用連續點而不是像光柵印表機那樣的點來精確建立線條和形狀。

• 筆或筆狀工具 − 用於圖形繪圖儀的筆或類似的工具在紙上繪製。筆可以在可移動臂上沿 X 和 Y 方向移動以繪製複雜的形狀。

• 應用 − 圖形繪圖儀用於工程、建築、製圖和紡織品設計。在數字化之前，它們很流行用於技術圖紙和圖表。

向量圖形繪圖儀輸出準確且詳細的圖形。即使數位印刷使它們的使用範圍減少，它們仍然用於需要準確性和高質量輸出的行業和應用中。

印表機

印表機是一種輸出裝置，用於在紙上列印資訊。

印表機有兩種型別 -

• 衝擊式印表機

• 非衝擊式印表機

衝擊式印表機

衝擊式印表機透過在色帶上敲擊字元來列印字元，然後將其壓在紙上。

衝擊式印表機的特點如下 -

• 消耗品成本非常低

• 噪音很大

• 由於成本低，因此適用於批次列印

• 與紙張有物理接觸以生成影像

這些印表機有兩種型別 -

• 字元印表機

• 行式印表機

字元印表機

字元印表機是指一次列印一個字元的印表機。

它們進一步分為兩種型別

• 點陣印表機 (DMP)

• 菊花輪印表機

點陣印表機

在市場上，最受歡迎的印表機之一是點陣印表機。這些印表機因其易於列印和經濟的價格而受歡迎。列印的每個字元都以點模式的形式出現，列印頭由大小為 (5*7、7*9、9*7 或 9*9) 的針矩陣組成，這些針伸出來形成一個字元，這就是為什麼它被稱為點陣印表機的原因。

優點

• 價格低廉

• 使用廣泛

• 可以列印其他語言字元

缺點

• 速度慢

• 質量差

菊花輪印表機

列印頭位於輪子上，對應於字元的針就像雛菊（花）的花瓣一樣，因此被稱為雛菊輪印表機。這些印表機通常用於需要傳送少量字母的辦公室中的文字處理，質量非常好。

優點

• 比 DMP 更可靠

• 質量更好

• 字元字型可以輕鬆更改

缺點

• 比 DMP 慢

• 噪音大

• 比 DMP 貴

行式印表機

行式印表機是指一次列印一行字元的印表機。

它們有兩種型別 -

• 滾筒印表機

• 鏈式印表機

滾筒印表機

這種印表機形狀像滾筒，因此被稱為滾筒印表機。滾筒的表面被分成許多軌道。軌道的總數等於紙張的大小，即對於 132 個字元的紙張寬度，滾筒將有 132 個軌道。字元集壓印在軌道上。市場上提供的不同字元集有 48 個字元集、64 個和 96 個字元集。滾筒旋轉一次列印一行。滾筒印表機的速度很快，每分鐘可以列印 300 到 2000 行。

優點

• 速度非常快

缺點

• 非常昂貴

• 字元字型無法更改

鏈式印表機

在這種印表機中，使用字元集鏈，因此稱為鏈式印表機。標準字元集可能包含 48、64 或 96 個字元。

優點

• 字元字型可以輕鬆更改。

• 可以使用同一臺印表機列印不同的語言。

缺點

• 噪音大

非衝擊式印表機

非衝擊式印表機在列印字元時不使用色帶。這些印表機一次列印一整頁，因此也稱為頁面印表機。

這些印表機有兩種型別 -

• 雷射印表機

• 噴墨印表機

非衝擊式印表機的特點

• 速度快於衝擊式印表機

• 噪音低

• 高質量

• 支援多種字型和不同的字元大小

雷射印表機

這些是非衝擊式頁面印表機。它們使用雷射光產生形成字元所需的點，並在頁面上列印。

優點

• 速度非常快

• 非常高質量的輸出

• 良好的圖形質量

• 支援多種字型和不同的字元大小

缺點

• 價格昂貴

• 無法用於在一張列印紙上列印多份文件副本

噴墨印表機

噴墨印表機是非衝擊式字元印表機，基於一項相對較新的技術。它們透過向紙張噴射微小的墨滴來列印字元。噴墨印表機可以產生具有良好外觀的高質量輸出。

它們產生的噪音較小，因為沒有敲擊動作，並且具有多種列印模式可供選擇。彩色列印也是可能的。某些型號的噴墨印表機也可以列印多份副本。

優點

• 高質量列印

• 更可靠

缺點

• 價格昂貴，因為每頁成本較高

• 與雷射印表機相比速度較慢