# 電腦運作原理
## 認識電腦
### 電腦發明起源：夏卡爾織布機
西元1801年法國人約瑟夫‧傑夸德(Joseph Jacquard)發明使用打孔卡片(Punched carboard card)控制的自動化織布機，對未來電腦的發展引進兩個重要的觀念：
1. 資訊以打孔卡片的方式描述，這個動作稱為`編碼(Coded)
2. 資訊可以儲存在卡片上，當這些卡片成串的組合在一起，就可以做為一連串的指令，稱為`程式(Program)`。

### 電腦發明演進
> 演進重點：
> * 處理速度變快
> * 體積縮小
> * 程式開發語言：從機器語言越來越接近人類自然語言

1. 真空管時期（1946 ～ 1954）

1946年美國賓州大學發明第一台真正的電腦：Electronic Numerical Integrator And Calculator (`ENIAC`)

程式是以打孔卡片方式儲存，電腦會讀取卡片來執行運作。

2. 電晶體時期（1954 ～ 1964）

1950年代早期計算機的基本電路元件都採用真空管。這種元件有許多缺點，例如，大量發熱可靠性不高、佔用空間、以及速率不夠快等等；採用了電晶體改進了這些缺點

高階語言`FORTRAN`及`COBOL`是程式開發語言主流。

3. 積體電路時期（1964 ～ 1969）

1964年後積體電路(IC.Integrated Circuit)的發明，使得電腦的速度又快了幾百倍。而且一個積體電路就可以容納數十個電子元件，一個電子元件的功能相當於一個電晶體或真空管，這樣一來除了使電腦的體積更小之外，功能也更強大。

開始使用作業系統，發展出`BASIC`、`RPG` 等高階語言來設計程式，讓電腦運作處理作業。

4. 超大型積體電路時期（1970~）

1970年以後，在一片積體電路晶片(Chip)上已能容納數千個甚至數萬個電子元件，體積不是很大，但容量卻是大了數百倍，它被稱為超大型積體電路(very-large-scale integration ，簡稱VLSI)。

主要使用`C語言`、`PASCAL`高階程式語言來開發讓硬體運作的程式，對於應用服務程式，有更多種類程式語言慢慢流行。

### 電腦的定義
電腦基礎架構 = `馮紐曼架構`（Von Neuman architecture) + `指令集架構`（ISA）

#### 馮紐曼架構（Von Neumann）
`馮紐曼架構（Von Neumann architecture）`，也稱馮·紐曼模型（Von Neumann model），是一種電腦設計概念架構。

此設計架構定義了電腦五大運作單元：
- `算術邏輯單元(Arithmetic Logic Unit)`：從記憶單元中取得指令與資料，進行資料運算，其中`累加器(Accumulator)`作為暫時存放運算過程的區塊
- `控制單元(Control Unit)`：控制系統運作
- `記憶單元(Memory)`：存放資料
- `輸入單元(Input)`：輸入資料
- `輸出單元(Output)`：輸出資料

例如一台電腦，應該要擁有以下電子零件：
1. 算術邏輯單元：`CPU`
2. 控制單元：`CPU`
3. 記憶單元：`RAM`, `SSD`, `HDD`
4. 輸入單元：`鍵盤`（控制指令訊號）、`滑鼠`（控制指令訊號）、`麥克風`（聲音訊號）、`攝影機`（影像訊號）
5. 輸出單元：`喇叭`（聲音訊號）、`螢幕`（影像訊號）

:::warning
關於記憶體的種類，RAM, SSD, HDD的差異與用途，請務必釐清
- 是否可以永久儲存資料
- 存取速度的快慢
- 根據特性，適合存放的資料類型
:::

#### 指令集架構
指令集架構(Instruction Set Architecture，縮寫為`ISA`)，是電腦進行運算的程序方法，也就是設計電腦CPU的架構基礎。

常見的架構有兩種
**1. `CISC`(複雜指令集運算, Complex Instruction Set Computing)**
最知名的廠商為Intel，生產自家廠牌的CPU，又因為名氣很大，所以讓CISC後來又被稱為`x86架構`，主要相容運作的作業系統是微軟的`Windows`和蘋果公司的`macOS`

**2. `RISC`(精簡指令集運算, Reduced Instruction Set Computing)**
最知名的廠商為Arm，所以把RISC架構稱為`Arm-based`，不過Arm不直接製造生產CPU，而是授權設計架構給其他IC公司設計生產製造，例如Qualcomm, nVidia，主要相容Google的`Android`和蘋果公司的`iOS`

目前我們所稱呼的電腦，是指符合以上硬體設計與指令集架構的電子裝置。

### 隨堂練習
1. 教室的冷氣，是不是一台電腦？如果是，請說明其零件對應的電腦五大單元。如果不是，也請說明缺少了哪個運作單元。
2. 請舉例RISC架構CPU跟Windows搭配運作的3C產品

## 認識程式
### 什麼是程式
電腦執行各種作業的腳本，就是`程式(Program)`。

### <a id="program_operation"></a>程式運作原理
1. 人類使用程式語言撰寫程式碼，這些程式碼文字，我們稱為`source code`，儲存在非揮發性記憶體中，例如硬碟、SSD。
2. CPU將`source code`取出，翻譯成`機器碼(machine code)`，然後放入揮發性記憶體，例如`RAM`，因為`RAM`的存取速度比較快。
3. CPU去剖析機器碼，區分`指令`與`資料`，根據指令，去操作運算各類資料，輸入、輸出結果，達成各種程式功能

:::info
補充知識：當載入資料量超過記憶體可承載資料量限制，我們稱為溢位(overflow)
:::

### 程式的種類
程式執行各種作業，根據程式作業的應用範圍，分為`韌體（Firmware)`與`軟體(Software)`
#### 韌體
控制硬體運作的程式，這類程式又稱為`嵌入式程式(embedded programming)`，主要用途是讓硬體按照開發者的想法運作，例如手機裡有讓攝影機模組零件運作的`驅動程式(driver)`、讓驅動程式運作的`作業系統（Operating System, OS）`

#### 軟體
讓使用者操作電腦的程式，又稱`應用程式（application program）`根據運作環境，又分成幾類
- 原生電腦應用程式（Native Application）
泛指在個人電腦作業系統(Windows, macOS, Linux)執行的程式，例如`Microsoft Office`讓使用者進行各類文書資料處理, `Adobe Photoshop`讓使用者進行數位照片編輯。
- 行動裝置應用程式（MobileApplication）
泛指在行動裝置(智慧型手機、智慧型手錶、平板電腦、智慧喇叭)
作業系統(`Android`, `ios`）執行的程式，例如`Line`可以讓使用者進行文字或語音的通訊。
- 網路應用程式（Web Application）
泛指在網路瀏覽器上（例如`Chrome`, `Firefox`, `Edge`等）執行的程式，從傳統的單向資訊網站、隨著技術進步，一路發展到可以讓使用者有更多接近PC、Mobile App的操作，又因為每個作業系統都有可以連上網路瀏覽資訊的瀏覽器版本。
所以Web App擁有跨作業系統（跨平台）運作的優點，例如`Google Map`，可以從 https://www.google.com/maps 登入執行，也可以在手機上用行動App版本執行，對於使用者，可以選擇自己適合的管道，使用地圖搜尋功能。


### <a id="programming_language"></a>什麼是程式語言
人類發明`程式語言(Programming Language)`來撰寫程式腳本，是我們人類跟電腦溝通的方式，根據不同的應用範圍與特性，發展出上百種程式語言，廣為人知的有`C/C++`, `Java`, `Javascript`, `Python`。

#### 程式語言分類

**1. 依階層劃分**
同時也是程式的發展演進，從`低階語言`到`高階語言`，越低階越接近機器運作的方式、越高階越接近人類認知運作的方式。
- 低階語言：`機器語言(Machine Language)`、`組合語言(Assembly Language)`
- 高階語言：`C/C++`, `Java`, `Python`
> 最終我們希望完全使用自然語言操作電腦，也就是：人類的語言系統

**2. 根據執行方式劃分**
- `直譯式程式語言(Intepreted Language)`
系統可以將原始程式的指令逐一的翻譯並執行，不需要經過編譯，如`Python`、`HTML`等。特點是修改程式及除錯，較為簡單容易。
- `編譯式程式語言(Compiled Language)`
撰寫的原始程式，需要經過編譯器編譯之後，輸出為電腦中直接執行的目的程式，如`C`、`C++`、`PASCAL`...等。特點是再次使用只要執行目的程式，無須重新在編譯其原始程式。

**3. 根據設計方式劃分**
- `結構化程式語言(Structured Programming Languages)`
結構化的程式是以一些簡單、有層次的程式流程架構所組成，針對「循序、條件、重複」三大訴求。例如： `C`, `BASIC`
- `物件導向程式語言(Object-oriented Programming Language)`
具有封裝（隱藏）、繼承、多型三大概念的程式程式設計典範，同時也是一種程式開發的抽象方針。
它可能包含資料、屬性與方法。物件則指的是類別的實例。它將物件作為程式的基本單元，將程式和資料封裝其中，以提高軟體的再利用性、靈活性和擴充性，物件裡的程式可以存取及經常修改物件相關連的資料。例如: `Python`, `Javascript`, `C++`

**4. 根據軟體與使用者和資料互動面向劃分**
- 前端程式語言
可設計軟體使用者介面，讓使用者操作、取得資料輸出。
例如：`Javascript`
- 後端程式語言
用來讀取、運算資料，傳輸到前端。例如：`Python`,`PHP`,`ASP`
- 資料標記語言
用來描述資料，以便提高存取效率。
例如: `css`(描述網頁樣式), `HTML`(描述網頁資料格式與內容), `XML`, `JSON`

### 隨堂練習
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## 延伸閱讀
1. [Python官方文件 ](https://www.python.org/)
2. `RISC-V`：基於RISC設計原則的開源指令集架構
3. [設計嵌入式硬體 (Designing Embedded Hardware, 2/e)](https://www.tenlong.com.tw/products/9789867794789)

###### tags: `電腦科學概論`