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title: 計算機概論
tags: [計算機概論, 課程筆記]

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# 計算機概論

## 1.1 圖靈模型
- 通用的計算裝置概念是在1937 年由艾倫• 圖靈(Alan Turing) 所描述。他提出所有的計算都可以用一部特殊種類的機器來執行，現在我們稱此機器為圖靈機器(Turing machine)。
- 他將此模型建構於人們在計算過程中所執行的動作上，並將這些動作抽象化地導入此模型中，用以建構出導致世界改變的計算機器。




## 1.2 馮紐曼模型

- 四個子系統(記憶體、算術邏輯單元、控制單元、in/out)

![image](https://hackmd.io/_uploads/BkVpWLqa0.png)
-  儲存程式的觀念 
   - 馮紐曼模型敘述程式須儲存在記憶體裡，這和只將資料儲存 在記憶體裡的早期電腦架構完全不同
   - 現在電腦的記憶體同時儲存著程式和程式對應的資料。這隱含著資料及程式兩者必須要有相同的格式
，因為它們被儲存在記憶體裡。
   - 以 ==二位元(binary)== 的樣式儲存在記憶體裡(0與1的序列)

- 循序的指令執行
  - 一個程式在馮紐曼模型裡是由有限數目的指(instructions) 所構成。在這個模型，控制單元從記憶體取出一個指令，解碼並執行它。
  - 指令是循序地被執行。當然一個指令也許會要求控制單元跳到之前或之後的某一個指令，但是這並不意味著程式不是循序地被執行。
  - 基於馮紐曼模型，循序地執行程式是電腦的初始要求。今天的電腦會以最有效率的順序來執行程式。
## 1.3 電腦構成要素
- 電腦硬體
  - 根據馮紐曼模型，今日電腦硬體是由四個部分所組成，雖然我們可以有不同種類的記憶體、輸入/ 輸出子系統等。我們在第5 章將會更詳細地討論電腦的硬體裝置。
- 資料
  - 馮紐曼模型清楚地定義電腦是一個可以接收輸入資料、處理資料及輸出結果的資料處理器。
- 電腦軟體
  - 圖靈模型或馮紐曼模型的主要特性是程式(program) 的觀念。雖然早期電腦沒有將程式儲存在電腦的記憶體，但它們卻使用程式的觀念。在早期的電腦上撰寫程式指的是改變接線系統或者打開/ 關上一連串的開關。這件工作是由操作員或工程師在資料處理之前所完成。
## 1.4 歷史
- 機械機器(西元1930 年以前)
  - 在十七世紀，法國數學家及哲學家Blaise Pascal 發明了一台名為Pascaline可做加法和減法運算的機械式計算器。
  - 十七世紀晚期，德國數學家 Gottfried Leibnitz發明了一部更複雜的機械式計算器，此機器稱為Leibnitz 轉輪。
  -  第一部使用儲存體及程式設計觀念的機器是Jacquard 織布機，由 JosephMarie Jacquard 在十九世紀初所發明。
  -  在1823 年，Charles Babbage 發明了差分機(Difference Engine)，可用來做複雜的算術運算，也可以解決多項式方程式。後來他又將它進一步擴充發明了一部具有現在電腦概念的分析機(Analytical Engine)。
  -  在 1890 年，在美國人口普查局工作的Herman Hollerith 設計製造一台能夠讀取、統計和排序打孔卡資料的程式機器。
- 電子計算機的誕生(西元1930～1950 年)
  - 在這段時期所發明的早期電腦並沒有將程式儲存在記憶體裡，所有的一切都是外部程式。這個時期有五部比較著名的機器：
     1. ABC
     2. Z1
     3. Mark I
     4. Colossus
     5. ENIAC
  - 以馮紐曼模型為基礎的電腦
    - 在先前的五部電腦中，其記憶體都只是用來儲存資料，並以接線或開關的方式使其程式化。馮紐曼提出程式及資料都必須儲存在記憶體裡，如此每次使用電腦去執行一個新的程式時，只需要改變程式而不需要改變其接線或幾百個開關。
    
    - 第一部以馮紐曼模型為基礎的電腦在1950 年於賓州大學製造出來， 稱為EDVAC。在此同時，一部類似EDVAC 的電腦稱為EDSAC，也在英格蘭劍橋大學由Maurice Wilkes 製造出來。

- 電腦世代(西元1950 年迄今)
  - 第一代
    - 第一代(大約1950～1959 年) 電腦的特徵是商業電腦的興起。
  - 第二代
      - 第二代(大約1959～1965 年) 電腦使用電晶體取代真空管，這使得電腦的尺寸和價格得以縮小，因此中小型的機構組織也都能負擔得起。
      - 兩種高階的電腦程式語言FORTRAN 和COBOL 被發明出來，使得撰寫程式變得比較容易。
  - 第三代
      - 積體電路(integrated circuit) 的發明(電晶體、接頭及其他單元整合至單一晶片上)更進一步降低了電腦的成本及尺寸，使得迷你電腦(minicomputers) 出現在市場上。
      - 套裝的程式特別是大家所熟知的套裝軟體變得隨處可得，大約是1965～1975 年。
  - 第四代
      - 第四代(大約1975～1985 年) 出現了微電腦(microcomputers)。第一部桌上型電腦Altair 8800 在1975 年誕生。這個時期也可以看到電腦網路的興起。
  - 第五代
      - 這個尚未結束的時代開始於1985 年，它見證了桌上型及掌上型電腦的出現，次級
      - 記憶體的改善(像是CD-ROM、DVD 等)、多媒體的使用，以及虛擬實境等的現象。
## 1.5 社會環境議題
計算機科學已產生了一些周圍議題，其中最普遍的議題可歸類為社
會和道德議題。

- 社會問題
  - 依賴
  - 社會正義
  - 數位落差
- 道德議題
  - 隱私
  - 版權
  - 電腦犯罪
 
