所謂的電腦就是一種計算機，而計算機其實是：『接受使用者輸入指令與資料，經由中央處理器的數學與邏輯單元運算處理後，以產生或儲存成有用的資訊』。 因此，只要有輸入設備 (不管是鍵盤還是觸控式螢幕) 及輸出設備 (例如電腦螢幕或直接由印表機列印出來)，讓你可以輸入資料使該機器產生資訊的， 那就是一部計算機了。

• 電腦用途的分類

電腦的分類非常多種，如果以電腦的複雜度與運算能力進行分類的話，主要可以分為這幾類：

• 超級電腦(Supercomputer)
  超級電腦是運作速度最快的電腦，但是他的維護、操作費用也最高！主要是用於需要有高速計算的計畫中。 例如：國防軍事、氣象預測、太空科技，用在模擬的領域較多。詳情也可以參考： 國家高速網路與計算中心http://www.nchc.org.tw的介紹！ 至於全世界最快速的前500大超級電腦，則請參考：http://www.top500.org。
• 大型電腦(Mainframe Computer)
  大型電腦通常也具有數個高速的CPU，功能上雖不及超級電腦，但也可用來處理大量資料與複雜的運算。 例如大型企業的主機、全國性的證券交易所等每天需要處理數百萬筆資料的企業機構， 或者是大型企業的資料庫伺服器等等。
• 迷你電腦(Minicomputer)
  迷你電腦仍保有大型電腦同時支援多使用者的特性，但是主機可以放在一般作業場所， 不必像前兩個大型電腦需要特殊的空調場所。通常用來作為科學研究、工程分析與工廠的流程管理等。
• 工作站(Workstation)
  工作站的價格又比迷你電腦便宜許多，是針對特殊用途而設計的電腦。在個人電腦的效能還沒有提升到目前的狀況之前， 工作站電腦的性能/價格比是所有電腦當中較佳的，因此在學術研究與工程分析方面相當常見。
• 微電腦(Microcomputer)
  個人電腦就屬於這部份的電腦分類，也是我們本章主要探討的目標！體積最小，價格最低，但功能還是五臟俱全的！ 大致又可分為桌上型、筆記型等等。

若光以效能來說，目前的個人電腦效能已經夠快了，甚至已經比工作站等級以上的電腦運算速度還要快！ 但是工作站電腦強調的是穩定不當機，並且運算過程要完全正確，因此工作站以上等級的電腦在設計時的考量與個人電腦並不相同啦！ 這也是為啥工作站等級以上的電腦售價較貴的原因。

根據電腦計算能力與跟週邊整合的情況，電腦的外觀差異也很大喔！在微電腦的領域中，大致常見的機殼尺寸：

• 桌機：通常正面高*寬*深度大約是 45cm * 21cm * 50cm 左右。
• 筆電：通常有 12吋到 16吋之間的對角線長度，大約為 30~40 公分，厚度就不一定了
• 平板：通常是 8~12 吋 (20~30公分) 之間
• 單版電腦：大約在 6cm * 10cm 左右 (底下是單板電腦的示意圖)

但是超級電腦就不只是這樣了！超級電腦可能需要一整層樓作為機器放置的所在。例如 2017-01 公告的第一名超級電腦，在該製造商的報告中，有列出幾張照片， 大家可以瞧一瞧，相當有趣！

• http://www.netlib.org/utk/people/JackDongarra/PAPERS/sunway-report-2016.pdf

• 電腦的五大處理單元

電腦的組成主要有底下三個：

• 輸入單元：包括鍵盤、滑鼠、讀卡機、掃描器、手寫板、觸控螢幕等等一堆；
• 主機部分：這個就是系統單元，被主機機殼保護住了，裡面含有一堆板子、CPU 與主記憶體等；
• 輸出單元：例如螢幕、印表機等等

整部主機的重點在於中央處理器 (Central Processing Unit, CPU)，CPU 為一個具有特定功能的晶片， 裡頭含有微指令集，如果你想要讓主機進行什麼特異的功能，就得要參考這顆 CPU 是否有相關內建的微指令集才可以。 由於 CPU 的工作主要在於管理與運算，因此在 CPU 內又可分為兩個主要的單元，分別是： 算數邏輯單元與控制單元。其中算數邏輯單元主要負責程式運算與邏輯判斷，控制單元則主要在協調各周邊元件與各單元間的工作。

既然 CPU 的重點是在進行運算與判斷，那麼要被運算與判斷的資料是從哪裡來的？ CPU 讀取的資料都是從主記憶體來的！ 主記憶體內的資料則是從輸入單元所傳輸進來！而 CPU 處理完畢的資料也必須要先寫回主記憶體中，最後資料才從主記憶體傳輸到輸出單元。

• CPU 的架構

如前面說過的，CPU 其實內部已經含有一些微指令，我們所使用的軟體都要經過 CPU 內部的微指令集來達成才行。 那這些指令集的設計主要又被分為兩種設計理念，這就是目前世界上常見到的兩種主要 CPU 架構， 分別是：精簡指令集 (RISC) 與複雜指令集 (CISC) 系統。

• 精簡指令集 (Reduced Instruction Set Computer, RISC)：

  這種 CPU 的設計中，微指令集較為精簡，每個指令的執行時間都很短，完成的動作也很單純，指令的執行效能較佳； 但是若要做複雜的事情，就要由多個指令來完成。常見的 RISC 微指令集 CPU 主要例如甲骨文 (Oracle) 公司的 SPARC 系列、 IBM 公司的 Power Architecture (包括 PowerPC) 系列、與安謀公司 (ARM Holdings) 的 ARM CPU 系列等。

  在應用方面，SPARC CPU 的電腦常用於學術領域的大型工作站中，包括銀行金融體系的主要伺服器也都有這類的電腦架構； 至於PowerPC架構的應用上，例如新力(Sony)公司出產的Play Station 3(PS3)就是使用PowerPC架構的Cell處理器； 那安謀的 ARM 呢？你常使用的各廠牌手機、PDA、導航系統、網路設備(交換器、路由器等)等，幾乎都是使用 ARM 架構的 CPU 喔！ 老實說，目前世界上使用範圍最廣的 CPU 可能就是 ARM 這種架構的呢！

• 複雜指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC)：

  與RISC不同的，CISC在微指令集的每個小指令可以執行一些較低階的硬體操作，指令數目多而且複雜， 每條指令的長度並不相同。因為指令執行較為複雜所以每條指令花費的時間較長， 但每條個別指令可以處理的工作較為豐富。常見的CISC微指令集CPU主要有AMD、Intel、VIA等的x86架構的CPU。

  由於AMD、Intel、VIA所開發出來的x86架構CPU被大量使用於個人電腦(Personal computer)用途上面， 因此，個人電腦常被稱為x86架構的電腦！那為何稱為x86架構呢？ 這是因為最早的那顆Intel發展出來的CPU代號稱為8086，後來依此架構又開發出80286, 80386...， 因此這種架構的CPU就被稱為x86架構了。

  在2003年以前由Intel所開發的x86架構CPU由8位元升級到16、32位元，後來AMD依此架構修改新一代的CPU為64位元， 為了區別兩者的差異，因此64位元的個人電腦CPU又被統稱為x86_64或簡寫為 x64 的架構喔！

所謂的 CPU 位元指的是CPU一次資料讀取的最大量！64位元CPU代表CPU一次可以讀寫64bits這麼多的資料，32位元CPU則是CPU一次只能讀取32位元的意思。 因為CPU讀取資料量有限制，因此能夠從記憶體中讀寫的資料也就有所限制。

不論是手機還是一般桌機、筆電，如果你拆開外殼，就可以看到一片主機板上面嵌入好幾個不同的晶片！這個主機板上面最重要的是一個溝通所有元件的晶片組， 而晶片組的設計則與 CPU 有關。我們以 Intel 的晶片組與 CPU 跟相關的搭配來看，如下圖所示：

早期的晶片組通常分為兩個橋接器來控制各元件的溝通，分別是：(1)北橋：負責連結速度較快的CPU、主記憶體與顯示卡界面等元件； (2)南橋：負責連接速度較慢的裝置介面， 包括硬碟、USB、網路卡等等。不過由於北橋最重要的就是 CPU 與主記憶體之間的橋接，因此目前的主流架構中， 大多將北橋記憶體控制器整合到 CPU 封裝當中了。所以上圖你只會看到 CPU 而沒有看到以往的北橋晶片喔！

• CPU 可以直接連接的元件

從上圖你可以很明顯的看到， CPU 可以直接連接的有 (1)PCI-E 插槽、 (2)主記憶體、 (3)南橋晶片。因為越接近 CPU 代表可以更快讓 CPU 讀寫資料， 因此，如果你的主機板上面有兩張以上的 PCI-E 插槽，記得不要隨便插，不然效能是有差別的！至於南橋晶片主要提供了很多的 I/O 界面， 雖然速度稍微慢一些，但是功能就很豐富了！包括磁碟、USB、網路、音效都是南橋提供的。

• CPU 相關

CPU 與可接受的晶片組是有搭配性的，尤其目前每種 CPU 的腳位都不一樣，所以如果你只是想要升級 CPU，有時候是相當困難的！ 得要詳細的查詢 CPU 封裝的型態才行。

CPU 在一個時脈底下會有數次的工作機會，因此，時脈越高，代表單位時間內可進行的工作越多！雖然時脈有所謂的外頻與倍頻，不過由於目前的 Intel CPU 設計中，主要的傳輸是以類似 PCI-E 的傳輸方式來處理，因此都看總頻寬，以前那種外頻共通的情況就比較少見了。 因此，目前大概都只看總頻寬或基準時脈而已。

以目前 (2018) 常見的 Intel i7 7700 這顆 CPU 來說，你應該可以很容易的找到這顆 CPU 的詳細介紹，請上網自行查詢相關的規格。

早期為了讓系統效能可以增強，因此使用的方式是讓 CPU 的時脈越高越好。不過 CPU 時脈越高的情況下，會產生很多諸如散熱、設計及與週邊元件溝通的問題。 於是後來改採多個核心在低時脈的情況下協同工作的方式來處理，除了 CPU 比較好設計之外，系統效能也能提昇。 因此，一顆實體 CPU (socket or node) 可能會具有多個核心 (core) ，這就是多核心的 CPU 設計。

但是因為 I/O 的速度總是比運算還要慢，所以經常會發現 CPU 是在閑置中，但系統非常忙碌 (因為其他的程序還在等待 CPU ，但是 CPU 又在等待 I/O，所以就造成這個問題)。 於是後來 Intel 在同一個運算核心底下安裝兩個暫存器來模擬出另一個核心，實際上是兩個暫存器 (可以想成是程式的執行器) 共用一個實體核心。 這就是超執行緒的簡易認知。

由於兩核心同時動作的速度可能會比一個核心動作的效率還更好，而且設計上面也比較簡單，因此目前主流是以更多的核心取代高速的單核心來設計 CPU 的。 不過，要使用多核新的功能時，你程序的工作 (program 的 job) 需要能夠支援平行化，或者是能夠使用到多執行緒 (multi thread) 才能夠發揮多核心的功效。 如果你自己撰寫的程式並沒有支援多核心或多執行緒的功能時，那麼有沒有多核心，對你的程式其實沒有什麼幫助的。

因此，目前 Intel 的 CPU 會有個自動超頻的機制在！亦即，當有某個單一 job 需要比較大的運算效能，且『同時間並沒有其他的程序在頻繁運作』時， 那麼 CPU 會加大到最大可行的效率來幫你快速的完成這個工作。你需要特別注意的是，如果你執行的這種 job 太多了，那麼 CPU 恐怕沒有辦法全部的核心都放大到最大超頻速度， 這是因為整體效率 (能耗) 的問題！避免 CPU 整個熱當。

• CPU 的資料頻寬

一般來說，CPU 除了有 32 與 64 位元的分別之外，還有剛剛上面談到的所謂的時脈，時脈的意思是每秒鐘能夠進行的工作次數，而每次工作能夠讀進的資料量就是位元數， 因此， CPU 單核心能夠讀到的最大頻寬，以 Intel i7 7700 這顆來說，基礎時脈為 3.6GHz，支援 64 位元的資料寬度，因此能夠讀寫的最大頻寬為： 3.6GHz * 64 bit = 3.6GHz * 8bytes = 28.8 Gbytes/s 。因為每個核心都可以讀寫這麼多資料，因此這顆 4 核心 (與執行緒無關喔！) 的最大可讀寫頻寬就是： 4 * 28.8 Gbytes/s = 115.2 Gbytes/s 囉。

一般來說，伺服器需要同時應付很多的用戶端的要求，不過每個用戶端大多是短時間的大運算，所以通常不會有一隻程序一直佔用著系統資源。 在這種情況下，你的 CPU 數量當然是越多越好！因為每支 CPU 可以自己分配給不同的工作 (這個是作業系統本身的 CPU 資源分配的功能)， 所以當你的用戶端越多，代表要被運作的工作程序越多，每支工作程序可以獨立分給不同的 CPU 去做，當然比透過單一一個快速的 CPU 切換運作的情況下， 多核心的效能理論上當然是更好。

• 主記憶體 (Main memory)

CPU 的所有資料都是從記憶體讀寫來的，所以記憶體的容量與頻寬就相當的重要了！個人電腦的主記憶體主要元件為動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)， 隨機存取記憶體只有在通電時才能記錄與使用，斷電後資料就消失了。因此我們也稱這種 RAM 為揮發性記憶體。

DRAM 根據技術的更新又分好幾代，而使用上較廣泛的有所謂的 SDRAM 與 DDR SDRAM 兩種。 這兩種記憶體的差別除了在於腳位與工作電壓上的不同之外，DDR 是所謂的雙倍資料傳送速度 (Double Data Rate)， 他可以在一次工作週期中進行兩次資料的傳送，感覺上就好像是CPU的倍頻啦！ 所以傳輸頻率方面比SDRAM還要好。新一代的PC大多使用 DDR 記憶體了。 下表列出 SDRAM 與 DDR SDRAM 的型號與頻率及頻寬之間的關係。

由於所有的資料都必須要存放在主記憶體，所以主記憶體的資料寬度當然是越大越好。但傳統的匯流排寬度一般大約僅達 64 位元，為了要加大這個寬度， 因此晶片組廠商就將兩個主記憶體彙整在一起，如果一支記憶體可達 64 位元，兩支記憶體就可以達到 128 位元了，這就是雙通道的設計理念。 在某些比較多核心的伺服器主機上面，甚至還使用了 3 通道到 4 通道的設計，這樣才能夠讓系統的效能增加起來。

• DRAM 與 SRAM

除了主記憶體之外，事實上整部個人電腦當中還有許許多多的記憶體存在喔！最為我們所知的就是 CPU 內部的暫存器 (Register) 與快取記憶體 (cache memory)。 CPU 的暫存器是直接設計在 CPU 核心內部，可以用來幫助 CPU 的運算。至於快取記憶體，則是用來將常用的資料或指令暫時存放在 CPU 封裝內的一個記憶區塊， 如果 CPU 的快取記憶體的資料記錄設計的好，那麼 CPU 將不用常常跑去外部的主記憶體讀寫資料，而是可以直接在內部的快取記憶體存取，那對於效能就有很大的幫助。

一般來說，CPU 的核心也會有少量的快取記憶體，而在多核心 CPU 的核心之間，會有另一個共享的快取記憶體存在，讓所有的 CPU 核心可以共享某些資源。 CPU 內部的暫存器與少量記憶體被稱為第一、第二層快取 (L1, L2 cache)，而放在核心間的快取記憶體就被稱為第三層快取記憶體 (L3 cache)。 由於這些記憶體直接封裝在 CPU 內部，速度要求是很快的！這時使用 DRAM 是無法達到這個時脈速度的， 因此就需要靜態隨機存取記憶體 (Static Random Access Memory, SRAM) 的幫忙了。SRAM 在設計上使用的電晶體數量較多，價格較高，且不易做成大容量， 不過由於其速度快，因此整合到 CPU 內成為快取記憶體以加快資料的存取是個不錯的方式喔！

如上所示，CPU (core) 內部已經含有暫存器與記憶體，因此在 CPU 外 (但是還在封裝內) 的記憶體，就被稱為共享的 L3 快取記憶體。

• 唯讀記憶體(ROM)

主機板上面的元件是非常多的，而每個元件的參數又具有可調整性。舉例來說，CPU 與記憶體的時脈是可調整的； 而主機板上面如果有內建的網路卡或者是顯示卡時，該功能是否要啟動與該功能的各項參數， 是被記錄到主機板上頭的一個稱為 CMOS 的晶片上，這個晶片需要藉著額外的電源來發揮記錄功能， 這也是為什麼你的主機板上面會有一顆電池的緣故。

那CMOS內的資料如何讀取與更新呢？還記得你的電腦在開機的時候可以按下[Del]按鍵來進入一個名為BIOS的畫面吧？ BIOS(Basic Input Output System)是一套程式，這套程式是寫死到主機板上面的一個記憶體晶片中， 這個記憶體晶片在沒有通電時也能夠將資料記錄下來，那就是唯讀記憶體(Read Only Memory, ROM)。 ROM是一種非揮發性的記憶體。另外，BIOS對於個人電腦來說是非常重要的， 因為他是系統在開機的時候首先會去讀取的一個小程式喔！

另外，韌體(firmware)很多也是使用ROM來進行軟體的寫入的。 韌體像軟體一樣也是一個被電腦所執行的程式，然而他是對於硬體內部而言更加重要的部分。例如BIOS就是一個韌體， BIOS雖然對於我們日常操作電腦系統沒有什麼太大的關係，但是他卻控制著開機時各項硬體參數的取得！ 所以我們會知道很多的硬體上頭都會有ROM來寫入韌體這個軟體。

BIOS 對電腦系統來講是非常重要的，因為他掌握了系統硬體的詳細資訊與開機設備的選擇等等。但是電腦發展的速度太快了， 因此 BIOS 程式碼也可能需要作適度的修改才行，所以你才會在很多主機板官網找到 BIOS 的更新程式啊！但是 BIOS 原本使用的是無法改寫的 ROM ，因此根本無法修正 BIOS 程式碼！為此，現在的 BIOS 通常是寫入類似快閃記憶體 (flash) 或 EEPROM

• CPU 直接連接的插槽界面 - PCI-E

如果你的桌機是想要拿來做動畫設計、3D 模型、VR/AR 系統以及玩 3D 遊戲的，那麼除了 CPU 之外，最重要的應該是顯示卡。而顯示卡的速度與資料的傳輸就相當重要！ 為了要讓影像的運算可以獨立出來，因此目前的顯示卡都有內建的 GPU 來進行硬體的加速，就不需要透過 CPU 來處理影像部份的資料， 這樣整體效能也會比較好。

因此，你的顯示卡能夠傳輸的資料量當然也是越大越好！這時就得要考慮到傳輸的界面了！當前 (2018) 主流的傳輸界面為 PCI-E，這個 PCI-E 又有三種版本， version 1, 2, 3 ，這三個版本的速度並不相同！

先回到本小節最開始的那個 CPU 晶片組示意圖，你會發現 CPU 左側的界面連結出去稱為 PCI-Express 3.0 吧！那就是第三版 PCI-E， 這個界面的速度是這樣的：

PCI-E (PCI-Express) 使用的是類似管線的概念來處理，在 PCI-E 第一版中，每條管線可以具有 250MBytes/s 的頻寬效能，管線越多(通常設計到 x16 管線)則總頻寬越高！ 但是通常 CPU 可接受的最大 PCI-E 的線路是有限的，所以在設計主機板的時候，雖然可能會有兩條 PCI-E 16x 的插槽，不過當你安裝了兩塊介面卡上去之後， 每個插槽能夠使用的速度可能會有下降的情況發生喔！因為這是硬體的限制啊！

上面的第 B 點很有趣喔！你覺得主機板上面的插卡只有顯示卡嘛？有沒有聽過擴充卡？有沒有聽過磁碟陣列卡？有沒有聽過影像擷取卡？ 這些都是預設主機之外的額外功能，所以需要額外的擴充卡來處理。其中又以目前很進階的 PCI-E NVMe 的擴充卡最熱門！因為可以讓資料傳輸輕易的到達 1Gbytes/s 以上的傳輸！ 這樣的硬碟資料傳輸不可能透過傳統的 SSD 硬碟而已，需要透過 PCI-E 的高速傳輸才有辦法辦到的！所以，主機的設計根據你的應用不同，會有很大的差異！

• 主機板晶片組

CPU 主要是負責運算與邏輯判斷，問題是資料總是得從硬碟、網路、光碟等地方傳輸過來的，因此主機板上面就需要安裝這些基本的儲存與網路、音效等設備才行。 通常 CPU 製造商會根據 CPU 來設計搭配的南橋晶片，由於現在只有一個晶片 (北橋整合到 CPU 內了)，所以目前只有一顆主機板晶片組。 而 CPU 連結到這個晶片組的速度也是有限制的，Intel 目前在桌機上面主要是透過所謂的 DMI 通道來處理。新的 DMI 3.0 通道大約可到達 4Gbytes/s 的單向傳輸量， 對於一般桌機用戶來說，速度應該是夠用了。至於 DMI 2.0 單向則大約僅為 2Gbytes/s 而已。

因為考慮到使用者可能會有額外的需求還要去安裝其他的介面卡，所以主機板晶片組也會提供額外的 PCI-E 插槽，但是當你的介面卡安裝在這樣的插槽上， 則插槽上面的資料要傳輸到 CPU 就得要經過晶片組，然後透過 DMI 通道傳上去！所以，在某些情況下，系統的效能會被卡住在這條通道上喔！ 以本節一開始的連結圖示來看，左側南橋接的 PCI-E 2.0 可以達到 8x 的速度，亦即最大頻寬可達到 4Gbytes/s。但是南橋與 CPU 之間的通道只有 DMI 2.0， 因此頻寬瓶頸就變成是 DMI 2.0 的 2Gbyte/s 了！

同時，你得要注意，晶片組接的設備相當多喔！有 PCI-E 插槽、USB設備、網路設備、音效設備、硬碟設備等，這全部的裝置共用那一條 DMI 喔！ 所以，整個系統效能的瓶頸通常不在 CPU 啦！通常就是在南橋接的設備上面！所以，當你有非常複雜的程式要運作的時候，讓這些程式越少通過南橋， 他的系統效能就會比較好一點 (在不考慮其他問題的情況下)。

電腦總是需要記錄與讀取資料的，而這些資料當然不可能每次都由使用者經過鍵盤來打字！所以就需要有儲存設備咯。 電腦系統上面的儲存設備包括有：硬碟、軟碟、MO、CD、DVD、磁帶機、隨身碟(快閃記憶體)、還有新一代的藍光光碟機等， 乃至於大型機器的區域網路儲存設備(SAN, NAS)等等，都是可以用來儲存資料的。而其中最常見的應該就是硬碟了吧！

• 傳統硬碟的物理組成

大家應該都看過硬碟吧！硬碟依據桌上型與筆記型電腦而有分為 3.5 吋及 2.5 吋的大小。我們以 3.5 吋的桌上型電腦使用硬碟來說明。 在硬碟盒裡面其實是由許許多多的圓形磁碟盤、機械手臂、磁碟讀取頭與主軸馬達所組成的，整個內部如同下圖所示：

實際的資料都是寫在具有磁性物質的磁碟盤上頭，而讀寫主要是透過在機械手臂上的讀取頭(head)來達成。 實際運作時，主軸馬達讓磁碟盤轉動，然後機械手臂可伸展讓讀取頭在磁碟盤上頭進行讀寫的動作。 另外，由於單一磁碟盤的容量有限，因此有的硬碟內部會有兩個以上的磁碟盤喔！

• 傳統硬碟的磁碟盤上面的資料存取

既然資料都是寫入磁碟盤上頭，那麼磁碟盤上頭的資料又是如何寫入的呢？其實磁碟盤上頭的資料有點像下面的圖示所示：

由於磁碟盤是圓的，並且透過機器手臂去讀寫資料，磁碟盤要轉動才能夠讓機器手臂讀寫。因此，通常資料寫入當然就是以圓圈轉圈的方式讀寫囉！ 所以，當初設計就是在類似磁碟盤同心圓上面切出一個一個的小區塊，這些小區塊整合成一個圓形，讓機器手臂上的讀寫頭去存取。 這個小區塊就是磁碟的最小物理儲存單位，稱之為磁區 (sector)，那同一個同心圓的磁區組合成的圓就是所謂的磁軌(track)。 由於磁碟裡面可能會有多個磁碟盤，因此在所有磁碟盤上面的同一個磁軌可以組合成所謂的磁柱 (cylinder)。

我們知道同心圓外圈的圓比較大，佔用的面積比內圈多啊！所以，為了善用這些空間，因此外圍的圓會具有更多的磁區， 此外，當磁碟盤轉一圈時，外圈的磁區數量比較多，因此如果資料寫入在外圈，轉一圈能夠讀寫的資料量當然比內圈還要多！因此通常資料的讀寫會由外圈開始往內寫的喔！這是預設值啊！

另外，原本硬碟的磁區都是設計成 512byte 的容量，但因為近期以來硬碟的容量越來越大，為了減少資料量的拆解，所以新的高容量硬碟已經有 4Kbyte 的磁區設計！ 購買的時候也需要注意一下。也因為這個磁區的設計不同了，因此在磁碟的分割方面，目前有舊式的 MSDOS 相容模式，以及較新的 GPT 模式喔！ 在較新的 GPT 模式下，磁碟的分割通常使用磁區號碼來設計，跟過去舊的 MSDOS 是透過磁柱號碼來分割的情況不同喔！

• 傳統連結硬碟的主機板傳輸界面

為了要提昇磁碟的傳輸速度，磁碟與主機板的連接界面也經過多次的改版，因此有許多不同的界面喔！傳統磁碟界面包括有 SATA, SAS, IDE 與 SCSI 等等。 若考慮外接式磁碟，那就還包括了 USB, eSATA 等等界面喔！許多界面都已經不再流行，目前 PC 主流是 SATA，高效能則以 PCI-E NVMe 為主， 若考慮伺服器的穩定性，或許會使用到 SAS 界面。

• SATA

  目前主流的硬碟連接界面就是 SATA，一顆硬碟上面會有兩個插槽，分別是電源插座與資料傳輸插座，較短的界面就是 SATA 界面插槽。 目前的 SATA 版本已經到了第三代 (註17)， 每一代之間的傳輸速度如下所示，而且重點是，每一代都可以向下相容喔！只是速度上會差很多就是了。 目前主流都是使用 SATA3 這個界面速度可達 600Mbyte/s 的界面！

  版本	頻寬 (Gbit/s)	速度 (Mbyte/s)
  SATA 1.0	1.5	150
  SATA 2.0	3	300
  SATA 3.0	6	600

  雖然 SATA III 界面理論傳輸可到達 600Mbytes/s，不過傳統硬碟由於物理設計的限制因素，通常存取速度效能大多在 150~200Mbytes/s 之間， 還無法將整個 SATA III 的界面頻寬使用完畢！不過，這在高效能的 SSD 固態硬碟時就反轉過來了喔！固態硬碟的速度可以超過 SATA 界面的喔。

• SAS

  早期工作站或大型大腦上面，為了讀寫速度與穩定度，因此在這樣的機器上面，大多使用的是 SCSI 這種高階的連接介面。 不過這種介面的速度後來被 SATA 打敗了！但是 SCSI 有其值得開發的功能，因此後來就有串列式 SCSI (Serial Attached SCSI, SAS) 的發展。這種介面的速度比 SATA 來的快，而且連接的 SAS 硬碟的磁碟盤轉速與傳輸的速度也都比 SATA 硬碟好！ 只是...好貴喔！而且一般個人電腦的主機板上面通常沒有內建 SAS 連接介面，得要透過外接卡才能夠支援。因此一般個人電腦主機還是以 SATA 介面為主要的磁碟連接介面囉。

  版本	頻寬 (Gbit/s)	速度 (Mbyte/s)
  SAS 1	3	300
  SAS 2	6	600
  SAS 3	12	1200

  因為這種介面的速度確實比較快喔！而且還支援例如熱拔插等功能，因此，許多的裝置連接會以這種介面來連結！ 例如我們經常會聽到的磁碟陣列卡的連接插槽，就是利用這種 SAS 介面開發出來的支援的 SFF-8087 裝置等等的。

• USB

  如果你的磁碟是外接式的界面，那麼很可能跟主機板連結的就是 USB 這種界面了！這也是目前最常見到的外接式磁碟界面了。 不過傳統的 USB 速度挺慢的，即使是比較慢的傳統硬碟，其傳輸率大概都還有 80~120Mbytes/s ，但傳統的 USB 2.0 僅有大約 60Mbytes/s 的理論傳輸率， 通常實做在主機板上面的連接口，竟然都僅有 30~40 Mbyte/s 而已呢！實在發揮不出磁碟的性能啊！

  為了改善 USB 的傳輸率，因此新一代的 USB 3.0, 3.1 速度就快很多了！這幾代版本的頻寬與速度製表如下

  版本	頻寬 (Mbit/s)	速度 (Mbyte/s)
  USB 1.0	12	1.5
  USB 2.0	480	60
  USB 3.0 (USB 3.1 Gen 1)	5G	500
  USB 3.1 Gen 2	10G	1250 (128/132)
  USB 3.2 Gen 2	20G	2500 (128/132)

  跟 SATA 界面一樣，不是理論速度到達該數值，實際上就可以跑到這麼高！USB 3.0 雖然速度很快，但如果妳去市面上面買 USB 的傳統磁碟或快閃碟， 其實他的讀寫速度還是差不多在 100Mbytes/s 而已啦！不過這樣就超級快了！因為一般 USB2.0 的快閃碟讀寫速度大約是 40Mbytes/10Mbytes 左右而已說。 在購買這方面的外接式磁碟時，要特別考量喔！

  不過目前 (2018) 的記憶體好上許多，因此 USB 3.0 隨身碟真的能夠跑到 100Mbytes/s 的確實大有人在！只是價格會稍微高一些， 在選購的時候，如果你的資料很注重讀寫效能，這點需要特別注意喔！

• 固態硬碟 (Solid State Disk, SSD)

傳統硬碟有個很致命的問題，就是需要驅動馬達去轉動磁碟盤～這會造成很嚴重的磁碟讀取延遲！想想看，你得要知道資料在哪個磁區上面，然後再命令馬達開始轉， 之後再讓讀取頭去讀取正確的資料。另外，如果資料放置的比較離散(磁區分佈比較廣又不連續)，那麼讀寫的速度就會延遲更明顯！速度快不起來。

因此，後來就有廠商拿快閃記憶體去製作成高容量的設備，這些設備的連接界面也是透過 SATA 或 SAS，而且外型還做的跟傳統磁碟一樣！所以， 雖然這類的設備已經不能稱為是磁碟 (因為沒有讀寫頭與磁碟盤啊！都是記憶體！)。但是為了方便大家稱呼，所以還是稱為磁碟！只是跟傳統磁碟 (Hard Disk Drive, HDD) 不同， 就稱為固態硬碟 (Solid State Disk 或 Solid State Driver, SSD)。

固態硬碟最大的好處是，它沒有馬達不需要轉動，而是透過記憶體直接讀寫的特性，因此除了沒資料延遲且快速之外，還很省電！ 不過早期的 SSD 有個很重要的致命傷，就是這些快閃記憶體有『寫入次數的限制』在，因此通常 SSD 的壽命大概兩年就頂天了！所以資料存放時， 需要考慮到備份或者是可能要使用 RAID 的機制來防止 SSD 的損毀

其實我們在讀寫磁碟時，通常沒有連續讀寫，大部分的情況下都是讀寫一大堆小檔案，因此，你不要妄想傳統磁碟一直轉少少圈就可以讀到所有的資料！ 通常很多小檔案的讀寫，會很操硬碟，因為磁碟盤要轉好多圈！這也很花人類的時間啊！SSD 就沒有這個問題！也因為如此，近年來在測試磁碟的效能時， 有個很特殊的單位，稱為每秒讀寫操作次數 (Input/Output Operations Per Second, IOPS)！這個數值越大，代表可操作次數較高，當然效能好的很！

• PCI-E 與 NVMe

既然記憶體速度越來越快，那麼快閃記憶體想當然爾，速度也越來越快速。較頂級的 SSD 速度已經幾乎達到 SATA III 的理論極限值，再快也沒有辦法使用了！ 因為頻寬限制就在那邊 (SATA III)。因此，後來就有人透過插卡的方式，來利用 PCI-E 的界面進行資料的傳輸！因為 PCI-E 可以不經過南橋， 直接跟 CPU 進行資料的溝通，在急需要效能的情況下，確實可以這麼玩：

如上圖的示意，你可以使用快閃記憶體安插在擴充卡上面，然後安裝到 PCI-E 上頭！只要擁有 PCI-E 3.0 4x 通道以上的效能，就可以達到最高 4Gbytes/s 的速度， 這對於資料存取的效能來說，幫助相當大。

若你是一般的工作用途，那麼繪圖卡應該不是你的選購重點。如果你是想要拿 PC 來作為美工或 3D 的工作機，那麼繪圖卡的效能就很重要了。 如果你是拿 PC 來作為遊戲機，不但上述的 CPU、硬碟需要很注重，繪圖卡也是一個很重要的參考硬體！因為所有的美工畫面最終都得要透過繪圖卡傳給螢幕， 讓身為美術人員或遊戲工作者的你查閱才行。

為了強調效能，因此繪圖卡一般都是直接設計成 16x 的 PCI-E 界面，而且建議直接連接到與 CPU 溝通的那條 PCI-E 插槽上，這樣的效能最佳。 目前繪圖卡的主流廠商主要有 Nvidia, AMD 與 Intel，其中 Intel 大多設計直接嵌入到 CPU 的繪圖晶片，至於其他兩家則主要是設計獨立顯卡。 因為筆記型電腦大多數強調省電，因此 Intel 的嵌入式繪圖卡的直接用於筆記型電腦的市場是很龐大的。至於電競方面的系統，強調的是高效能， 因此以另外兩家的獨立顯卡為主流。

由於各個繪圖卡的運算晶片 (GPU) 設計的理念不同，加上驅動程式與軟體搭配的問題，並不是一張高效能繪圖卡就可以完勝其他的繪圖卡， 還得要注意相關的軟體才行。因此目前許多用來檢測繪圖卡效能的軟體，都有很多不同的程式片段在測試不同條件下的表現情形。 不過，常見的測試基準依舊有個比較有趣的單位，那就是 fps (frames per second, 每秒顯示的畫面張數)，這個數值越高，代表每秒鐘可以呈現的畫面數量越大， 對於細緻的動作反應會比較靈敏。

事實上，整張顯示卡上面會有個影像運算核心 (俗稱 GPU)，而且顯示卡也有自己的記憶體，通常這個記憶體的速度甚至比主記憶體還要快！ Nvidia 甚至設計出多線程多核新的 GPU ，只是價格不斐就是了。此外，為了應付越來越龐大的運算量，所以整個顯示卡上面的運算越來越快， 能耗也越來越高，因此，許多高階的顯示卡需要額外的電力支援，你的主機上面的電源供應器也需要比較大的能源瓦數。

常見的顯示卡 VGA 測試軟體有老牌的 3D mark 或者是 Cinebench 等。若對於顯示卡的評比有興趣，也可以到 tom's hardware 網站去瞧瞧， 或許會讓你有更多的理解。

• 3D mark: https://www.3dmark.com/zh-hant/
• Cinebench: https://www.maxon.net/en/products/cinebench/

至於顯示卡與螢幕常見的連接界面有：

• D-Sub (VGA端子)：為較早之前的連接介面，主要為 15 針的連接，為類比訊號的傳輸，當初設計是針對傳統映像管螢幕而來。 主要的規格有標準的 640x350px @70Hz、1280x1024px @85Hz 及 2048x1536px @85Hz 等。
• DVI：共有四種以上的接頭，不過台灣市面上比較常見的為僅提供數位訊號的 DVI-D，以及整合數位與類比訊號的 DVI-I 兩種。DVI 常見於液晶螢幕的連結， 標準規格主要有： 1920x1200px @60Hz、 2560x1600px @60Hz 等。
• HDMI：相對於 D-sub 與 DVI 僅能傳送影像資料，HDMI 可以同時傳送影像與聲音，因此被廣泛的使用於電視螢幕中！電腦螢幕目前也經常都有支援 HDMI 格式！
• Display port：與 HDMI 相似的，可以同時傳輸聲音與影像。不過這種界面目前在台灣還是比較少螢幕的支援！

另外，螢幕能接受的最大解析度也是有限制的，常見的解析度搭配常見的名詞解釋為：

由於 HDMI 可以同時傳輸聲音與影像，因此目前主流的電視大部分都可以提供多個 HDMI 的輸入界面。只是 HDMI 是有等級之分的！ 主要是依據其版本來定義。

目前大家用在攜帶式功能的儲存界面，很多都使用了 USB 界面的類似磁碟的工具，對於傳統的不可重複讀寫的儲存媒體的依賴，越來越低！ 同時線上播放瀏覽傳閱的方法越來越簡易，因此光碟的使用情況就越來越少了。但不可諱言的，在某些特殊應用，包括不可抹除的儲存或者是影音系統， 可能還是會使用到這些儲存媒體的。

• 光碟

事實上，由於目前 USB 隨身碟的價格持續下降，且具有速度快，直接複製不用燒錄的功能，因此對於 CD/DVD/Blu-ray 光碟片的需求大量的降低。 不過，對於影音事業部門，例如唱片公司、電影公司等，他們在推出產品時，還是需要使用這種具有防偽、防盜烤、不能隨更改資料的可攜式資料儲存裝置的。

最常見的光碟有 CD-ROM, CD-R 與 CD-RW，其中 CD-RW 為可重複讀寫的界面。基本上，一張 CD 大約可以記錄 700MB ~ 800MB 之間的資料量， 至於傳輸的速度主要是以 1x 為 150KB/s 的速度計算，通常 PC 常見的支援速度大多為 48x，亦即大約 150KB/s * 48 = 7MBytes/s 左右， 速度方面是其瓶頸！

至於 DVD 同樣有 DVD-ROM, DVD-R, DVD-RAM 等版本。DVD 常見的格式有單面單層與單面雙層之分，一般常見的單層 DVD 容量為 4.7G 左右， 雙層 DVD 則為 8.5GB 左右。至於速度方面，1x 速度為 1.32Mbytes/s 左右，因此常見的 8x 速度為 10.6 Mbytes/s 左右， 讀寫效能也不是特別好。

藍光光碟是為了高質量影片而創立的規格，單層的藍光光碟就具有 25GB 的容量，可以錄製長達 4 小時的高質量影片。至於速度方面，1x 的速度約為 4.5Mbytes/s， 若以較快速的 6x 速度而言，讀寫速度可高達 27 Mbytes/s 的效能。

由於高效能的網路世界已經來臨，隨便一個 60Mbps/20Mbps 的環境底下，傳輸的速度已經具有接近 10Mbytes/s 的效能， 因此網路串流影片的播放流暢度並不亞於上述的儲存設備。目前 CD 比較常見於音樂的應用，DVD 與 BD 則用於影片。 另外，DVD 也經常用於重要資料的儲存。因為硬碟可能會摔到，USB 可能會不小心資料被刪除，DVD 的資料根據過去的實驗， 其資料可以保存大約 10 年左右 (因為 DVD 是一種塗料，這些塗料是很可能會氧化而破壞的)，而且除非你經常摩擦或切割，否則 DVD 確實還挺適合不變動的資料保存的。

• 電源供應器

在你的機殼內，有個大大的鐵盒子，上頭有很多電源線會跑出來，那就是電源供應器了。 我們的 CPU/RAM/主機板/硬碟/顯示卡 等等都需要用電，而近來的電腦元件耗電量越來越高，以前很古早的 230W 電源已經不夠用了， 有的系統甚至得要有 500W 以上的電源才能夠運作～真可怕～

電源供應器的價差非常大！貴一點的300W可以到4000 NT，便宜一點的300W只要500 NT不到！ 怎麼差這麼多？沒錯～因為Power的用料不同，電源供應的穩定度也會差很多。如前所述，電源供應器相當於你的心臟， 心臟差的話，活動力就會不足了！所以，穩定度差的電源供應器甚至是造成電腦不穩定的元兇呢！所以，盡量不要使用太差的電源供應器喔！

電源供應器本身也會吃掉一部份的電力的！如果你的主機系統需要 300W 的電力時，因為電源供應器本身也會消耗掉一部份的電力， 因此你最好要挑選400W以上的電源供應器。電源供應器出廠前會有一些測試數據，最好挑選高轉換率的電源供應器。 所謂的高轉換率指的是『輸出的功率/輸入的功率』。意思是說，假如你的主機板用電量為250W， 但是電源供應器其實已經使用掉320W的電力，則轉換率為：250/320=0.78的意思。 這個數值越高表示被電源供應器『玩掉』的電力越少，那就符合能源效益了！^_^

• 電源供應器 - 80+ 的意義

你的電腦總是會有不太操作的時候，亦即電腦總有閒置的時候，在該時段你的電腦其實不怎麼耗能的。那麼在這樣的情境下，你的 power 會提供多少電力呢？ 為了規範電源供應器的供電效能，所以有 80+ (80 plus) 的規範出現。意義是『在 power 負載為 20%, 50% 及 100% 時，電源供應器至少能提供 80% 以上的能源轉化率』的意思。 沒有提供 80+ 的電源供應器代表沒有經過認證，其能耗效率就得要自行測試了。因此，當你知道了系統的總負載之後，要挑選 power 時， 請務必理解能源轉化率，這樣來採買你的配備才有意義。

作業上傳時的注意事項：

1. 伺服器的詳細資料，以及相關傳輸軟體設定，請參考第一章的 1.5 節的內容。
2. 可以使用 MS office 的 word 或者是 libreoffice 的 writer 等軟體來撰寫你的作業，作業檔名可以使用 .doc, .docx 或者是 .odt 或者是 pdf 等格式，均可接受。
3. 若作業中有圖檔，請將圖檔降低水平解析度到 800 像素以下再貼到文章中，檔案容量以不超過 2Mbytes 為限。
4. 檔名請設定為： os_4XXXCYYY_unit05.doc (4XXXCYYY 是你的學號，請填正確，有分大小寫，請確認)
5. 請上傳到你家目錄底下的 os 目錄中 (若不存在，請自行建立該目錄)

開始本章節題目：

1. 上課實做題的拍照結果彙整：
   1. 貼上拆開後的 CPU 與風扇的照片
   2. 貼上拆開後的記憶體照片，並寫下該記憶體的型號與容量
   3. 貼上主機板上面 BIOS 與電池所在處的位置，並以繪圖軟體標示 BIOS 與電池的所在
   4. 貼上擴充槽位置的照片，並用繪圖軟體標示各個擴充槽的格式與規格，如 PCI 或 PCI-E ??x 等
   5. 貼上整個主機板的 layout，並以影像編輯器，在 CPU、北橋(option)、南橋、擴充槽規格、磁碟連接槽等區塊，加上文字說明。
   6. 貼上拆下來的磁碟照片，並說明是 SATA 還是 SAS 界面
   7. 貼上你手機的充電孔，並說明手機連接到電腦的連接線，使用的是那一種格式
   8. 貼上桌上的螢幕照片，並說明有幾種連接的界面 (所以，應該要有前、後兩張照片較佳)
   9. 貼上拆開後的 power 畫面，並說明其規格
2. 上課練習的結果彙整：
   1. 請由 top500 網站找出目前全世界跑的最快的超級電腦的： (1)系統名稱 (2)所在位置 (3)使用的 CPU 型號與規格 (4)總共使用的 CPU 數量 (5)全功率操作 1 天時，可能耗用的電費 (假設一度電為 3 塊錢新台幣)
   2. 上述網站內容也有 green 500 的列表，請說明兩者計算的單位差異
   3. 從 google 去找出你手機的 (1)CPU 型號與規格、 (2)記憶體容量、 (3)螢幕解析度、 (4)相機的畫素等等。重點是找出你手機的 CPU 是屬於 RISC 還是 CISC 架構？
   4. 以 google 查詢 intel i9 13900K 這顆 CPU 的詳細規格，並寫下： (1)基本時脈與最大超頻時脈個別為多少？ (2)最大功耗是幾瓦？ (3)可接受的最大記憶體資料量？ (4)支援的通道數量為何？ (5)封裝的腳位 (socket) 是哪一種？ (6)是否支援虛擬化？ (7)最多支援的 PCI-E 線道數量是幾條？ (8)這顆 CPU 具有多少個運算核心？ (9)是否支援超執行緒？
3. 課程內容的相關題型：
   1. (1)電腦的五大處理單元是哪五個？此外，(2)這五個單元以方塊圖形搭配資料流動箭頭來繪製簡單的資料傳輸示意圖。
   2. 超級電腦網站 top500 裡面，有所謂的 top 500 以及 green 500 兩種評比，請說明其評比的主要差異為何？
   3. 個人電腦、平板、手機，以電腦用途分類的話，這些設備大概屬於哪一種
   4. 找出樹莓派 5 的 CPU 規格。
   5. 什麼是 Intel CPU 的 HT 技術 (Hyper-Threading) 技術？請簡單的說明，並且繪製簡單的示意圖，說明單一核心的 HT 關聯示意。
   6. 當前的 PC 主記憶體規格中，主流規格是哪一種？(須說明頻率速度)
   7. 在 DRAM 與 SRAM 的差異裡面，(1)主記憶體主要用哪種類型？ (2)CPU 內部使用哪種類型？ (3)哪種類型的速度通常比較快，但是也比較昂貴
   8. 目前主流的顯示卡插槽使用的插槽：(1)是哪一種界面？(2)版本為何？(3)頻寬通常是多少？
   9. Intel 第 13 代 CPU i7-13700 的 (1)核心數 (2)是否支援超執行緒技術 (3) L3 cache 的容量 (4)最大支援 PCI-E 的通道數量 (5)封裝的腳位類型 (6)與主機板晶片組之間的傳輸頻寬大致為多少？
   10. 傳統硬碟最小的儲存單位為 sector (磁區)，目前常見的 sector 容量有兩種，請寫下這兩種容量以及單位。
   11. 為什麼在作業系統的環境中，SSD 固態硬碟的效能通常要比同等級的傳統硬碟來的更快速？請朝 IOPS 這個數值的概念去思考。
   12. 由 google 查詢 Intel SSD 540s 固態硬碟相關的功能表，了解 (1)連接界面、(2)最大讀寫速度及 (3)最大隨機讀寫資料 (IOPS) 的數據。
   13. 當前最快的硬碟界面是哪一種？上網找出任何一款你覺得很快的硬碟 (無論是傳統的還是 SSD 或其他均可)，並說明你覺得哪一個參數讓你覺得這款硬碟相對快！
   14. 拍下你家裡的桌機連結到螢幕的界面，並說明該界面為何？若家用電腦為筆記型電腦，也請拍下該筆電連結到外部螢幕所使用的界面接口， 並說明該接口的界面為何？
   15. 嘗試計算 48x CD, 8x DVD, 4x Blu-ray 的讀寫速度。

本章會讓同學們直接拆解系統，直到 CPU 的階段。底下為老師與助教應該要進行的任務：

1. 紀錄同學名單，每兩人一組，每組一台主機本體，不含螢幕鍵盤滑鼠。(請統計是否有足夠的電腦主機數量)
2. 搬動一部機架式主機到教室內，同時拆開外殼 (鳥哥實驗室有一部閒置的機架式主機，搬動她)
3. 搬動一片主機板，舊式的即可 (鳥哥手邊有的主機板)
4. 準備一片 2.5寸 的硬碟
5. 準備不同格式的 CPU，包括舊式的 CPU，有針腳的
6. 準備一片 SAS 界面的硬碟
7. 準備一片固態硬碟
8. 準備一片樹莓派或其他單板電腦，作為展示之用
9. 準備一片具有多種界面的顯示卡
10. 準備多種不同的記憶體，包括具有 ECC 的模組
11. 搬動 SAS 硬碟、不同的記憶體格式、不同的 USB type 裝置、不同的顯示卡界面等等。

請同學攜帶十字螺絲起子，能夠拆卸主機為主，所以不能攜帶太小的起子～