1-1 資訊科學的簡介

1 導論

1-1 資訊科學的簡介1-2 資訊科學發展1-3 電腦基本原理

電腦發展至今已廣泛地被運用在各領域，可說是本世紀影響最大的科技產物。

享受電腦為我們提供便利服務同時，我們應該了解什麼是電腦？電腦能做什麼事 ?

與資訊科學又有什麼相關？

1-1 資訊科學的簡介

1-1.1 資訊科學本質與內涵

資訊科學的本質為了解決日常生活中繁瑣的計算問題，人類設計出

高效率的計算工具（例如算盤）和計算方法（例如四則運算），透過計算工具和計算方法幫助人們解決日常生活中的問題。

人類發明了電腦，協助人類解決問題。使用者在操作的過程中，只要懂得操作軟體，即使不懂得軟、硬體運作的原理，也可以操作電腦。


計算是自然界與社會運作的法則，甚至許多的電腦運作概念，就是觀察自然而發想出來的，以下是生活中的計算例子：自動販賣機

自動販賣機要計算你投入的金額是否足夠，如果你投入的金額足夠，某些飲料的指示燈會亮起來，讓消費者可以選擇飲料

假如消費者投入的金額超過飲料的金額，自動販賣機在送出飲料時，還要計算差額，找零給消費者。


捷運系統一般來說，捷運的搭乘路線在營運之前，會就路線狀

況、班距及旅運需求等因素做規劃，並利用電腦模擬計算出最安全的行駛路線、車速及有效益的班次時間。

遇下雨、颱風或地震時列車必須減速（或停駛），或者列車距離過近，電腦會控制列車加減速以保持適當之安全距離，以及列車停靠各站的開關門時間，上下班時間等尖峰時刻可加開班次。


資料加密這種資料加密的應用，在過去是用在軍事戰爭做為欺

瞞敵人的通訊技術研究，而現在則常被應用在生活中，無論是金融卡晶片、居家保全門禁、數位版權管理，或在線上購物進行信用卡消費（圖 1-1.5 ）等

1-1.2 　常見的電腦類型

電腦並沒有絕對的分類方式，只是為了方便說明起見，以下則依其體積、使用型態與價格等因素，約略分為幾種不同的類型：

超級電腦

– 超級電腦 (supercomputer ）是功能最強大的電腦，計算速度最快，價格也最昂貴，因此稱為超級電腦「超級電腦」，常用於需要大量運算如天氣預測、人口普查、飛航管制、密碼分析等工作


大型電腦大型電腦（ mainframe ，圖 1-1.7 ）的主要特色是

速度快、容量大，強調能同時支援數十甚至數百個使用者，許多需要快速處理大量資料的行業如銀行、保險、證券業等。


工作站與伺服器工作站 (workstation) 和伺服器 (server) 是功能強

大的電腦，其能力介於大型電腦及微電腦之間，工作站強調數學與圖形的計算能力，多用於工廠的電腦輔助製造、電腦輔助設計等工作。


個人電腦個人電腦 (personal computer ， PC) 是一般家裡

、學校或工作場所上最常使用到的電腦，又稱微電腦(microcomputer) ，主要是為單一使用者所設計的電腦，例如桌上型、筆記型、平板電腦等型式。


嵌入式電腦嵌入式電腦 (embedded computer) 有別於一般電

腦類型，是指隱藏在各種電腦設備中的單晶片微控器(microcontrollers) ，通常被設計成執行特定功能的電腦，將這些特定功能的軟硬體嵌入至各式設備中，例如 :

» 手機

» 錄放影機

» 印表機

» 電冰箱

百元電腦與低價電腦

2005年一月，在瑞士舉行的世界經濟論壇上，麻省

理工學院 (MIT) 媒體實驗室尼葛洛龐帝教授 (Nicholas

Negroponte) 提出了「百元電腦」計畫。他成立了「一

個兒童一部筆記型電腦」非營利組織 (One Laptop Per

Child Association,Inc；簡稱 OLPC) ，希望藉由業界大

量生產每台接近 100 美元的廉價電腦，透過聯合國與各

國政府出資購買，再贈送給貧困第三世界孩童每人一台電

腦。百元電腦計畫希望能讓數億個貧困的孩童受惠，讓他

們也能進入資訊的世界，接受最新的知識，擴展他們的視

野。

MID 、 Nettop 、 Netbook

行動上網裝置：英文全名為 Mobile Internet

Device ，簡稱MID ，外觀類似小型平板電腦，是具有觸

控式螢幕的行動式裝置，方便攜帶也方便上網。

桌上型易網機：英文名為 Nettop ，指的是可連網

路的精簡化桌上型電腦，強調「體積小」、「省電」及「

低價」等特色，但受限於體積所以擴充性較低、效能也較

有限，適合只單純收發電子郵件、使用即時訊息或網路電

話的使用族群。

MID 、 Nettop 、 Netbook

隨身型易網機：英文名為 Netbook ，是強調「體積

輕巧」、「省電」、低價」及「方便攜帶」的小型筆記型

電腦，尺寸介於 7∼10吋，可處理簡單的收信件或聽音樂

等工作，無法用來執行高效能的運算工作。 Nettop 與

Netbook 的區別僅在於桌上型主機與筆記型電腦的差異，

而兩者都可以算是低價（輕省）電腦。

MID Nettop Netbook

1-1.3 　生活中的資訊科技

電腦除了以傳統外表出現外，在日常生活中，電腦還可能以各種不同的形態隱藏在我們周遭，舉凡大眾運輸（售票系統、飛航看板）休閒娛樂（卡拉 OK 伴唱機）商業活動（自動櫃員機、自動販賣機）


電腦科學在生活中的應用實例，如下 :

電子地圖電子地圖的搜尋功能是以網頁為基礎的查詢，透過「

相關文字」與「地圖集」建立成一可查詢的資料庫，使用者只要鍵入欲查詢的路名，便可找到相關地圖索引資料。現在的電子地圖還提供路線規劃、周邊商家查詢等服務。


遠距教學遠距教學 (distance learning) 是利用網路來進行學習的一種方式，遠距教學通常可分為兩種類型，分別是「同步遠距教學」與「非同步遠距教學」同步遠距教學是透過視訊與電子白板的方式授課。，


虛擬實境虛擬實境 (virtual reality ， VR) 是一種特殊的模擬

技術，透過電腦技術與特殊設備來模擬現實環境中人類所能接受的各種刺激（例如視覺、聽覺與觸覺等觀感，如圖 1-1.12

），讓使用者彷彿置身在電腦產生的模擬世界中。


智慧卡現在許多店家可以接受信用卡或儲值卡預付的付款

方式，因此出門購物不再需要像過去只能帶著現鈔和零錢。

不論信用卡還是儲值卡都算是一種智慧卡，這些智慧卡 (smart card) 上會有一顆 IC 晶片，負責提供記憶及運算的功能。


有些晶片還有配合無線射頻識別 (radio frequency

identification ， RFID) 的設計，只要將卡片靠近感應器前輕輕觸碰一下就能快速結帳，以完成刷卡付費的流程。


行動條碼行動條碼 (quick response code ， QR code) （

如圖 1-1.14 ），採二維格式編寫的條碼形式，外表成正方形，只有黑白二色，在角落會有似「回」字的圖案

連至網頁查詢產品的資訊。另外許多公車站牌上也有 QR 碼，讓乘客能即時獲得該站牌的路線與班車時刻資訊。


無線射頻識別無線射頻識別 (radio frequency

identification ， RFID) 技術是由感應器 (reader)

和 RFID 標籤 (tag) 所組成，屬於非接觸式的辨識系統。

其運作原理是透過感應器發射出無線電訊號來識別範圍內的 RFID 標籤，標籤上裝有電路（圖 1-1.

16 ），不需要電池，當讀取機發射出無線電波，這時標籤上的電路就會通電與讀取機交換訊息。


RFID 標籤具防水、防磁與耐高溫的特性，比起傳統條碼具有非接觸性、無方向性且使用壽命較長等特性，所以非常適合於自動化環境。

1-2 　資訊科學發展

早期的電腦體積龐大，運算速度緩慢如今電腦已具備強大的多媒體與通訊能力，不僅體積愈來愈小，而且運算速度也愈來愈快

1-2.1 　電腦的發展歷程

前機械時期隨著商業的發展，算盤也隨之出現，由於算盤隱含著多種進位制概念的觀念，與現代電腦運作原理類似，因此一般會將「算盤」列為啟蒙電腦發展的概念。


機械時期 1642 年，法國數學家巴斯卡 (Pascal) 設計出以齒輪帶動槓桿運作的「加法器」，開創了電腦的「機械時期」。

1822 年，英國的巴貝奇（ Charles Babbage ）發明可進行簡單四則運算的「差分機」。

1842 年，巴貝奇設計出用齒輪模擬算盤算珠、具有現代電腦運作觀念的「分析機」


同時間裡，著名英國詩人拜倫之女愛達 (Ada Lovelace)

翻譯了義大利數學家對巴貝奇分析機（即分析機概論）所留下的備忘錄，並加入了許多詳細的計算機運算方式，而被認為是世上第一位電腦程式設計師。

1890 年，美國人何樂利 (Hollerith) 製造了一部使用打孔卡片處理資料的機器，協助美國政府進行人口普查工作，於 1924 年更名為國際商業機器公司，就是現在的 IBM 。


電子機械時期在 1 9 3 9 年時，美國愛荷華州立大學的教授阿塔那索夫 (At a n a s o f f ) 在其助手貝利 (Be r r y )

的協助下，創造出人類的第一部電子式數位電腦ABC ( Atanasoff-Berry Computer) 。


電子時期真空管（ 1946∼1954年）

美國賓州大學教授莫克利 (Mauchly) 與伊克特 (Ec k

e r t ) 為軍方設計的一部大型電腦 ENIAC 。

1946 年，范紐曼 (von Neumann) 提出「內儲程式」的概念，建議將程式與資料一併儲存在電腦中，改善電腦系統的工作效率，於是在 1952 年製造出第一部內儲式電子計算機－ EDVAC ，「軟體」的概念也由此應運而生。


電晶體（ 1954∼1964年）

– 美國貝爾實驗室 ( Bell Laboratories ) 在 1947年發明了電晶體（如圖 1-2.3 ）元件，體積比真空管小，主要被運用在科學領域。

– 1954 年貝爾實驗室製造出第一部以電晶體為主要電路元件的電腦－ TRADIC ，開創了「第二代電腦」時期。


積體電路（ 1964∼1970年）

– 積體電路就是所謂的 I C (integrated circuit) ，它將所有電子元件（如電晶體、電阻、二極體等）聚集在一個大約指甲大小的晶片 (chip) 上，如此不但體積縮小、成本低廉、而且運算速度更快，此時期代表性的電腦產品為 IBM 公司的 System/360 。


超大型積體電路（ 1970年現代）∼

– 有些人便把使用超大型積體電路（ very large scale

integrated circuit ， VLSI ，如圖 1-2.5 ）為主要元件的電腦稱為第四代電腦。

– 1971 年， Intel 把電腦中負責控制與算術邏輯的部份全部集中在一個晶片中，發明出全世界第一個微處理器 (microprocessor) － 4004 ，微處理器也是後來的中央處理單元 (central processing unit CPU) 。


軟體發展的里程碑程式的起源

– 1801 年法國人賈克德（ Joseph Marie Jaquard ，圖 1-

2.6 ）發明的提花織布機，只要在打孔卡片上打洞，就可以讓織布機讀取打孔卡片的內容，織出不同的花色，是最早使用程式的方式來控制機器。

電腦程式

– 凱本 (Tom Kilburn) 於 1948 年為馬克一號 (Mark I) 電腦所撰寫的程式，這個程式是用來計算任一數字的最大因數，利用重複的減法執行運算花了 52 分鐘才找到答案。


編譯器

– 編譯器 (compiler) 是一種軟體，可以將程式語言翻譯成機器語言，讓使用者撰寫的程式可在電腦上執行。

– 葛麗霍普（ Grace Murray Hopper) 於 1960 年創造了第一個商用電腦程式語言 COBOL ，也是最早的高階程式語言之一。


提供編譯器功能的高階語言

– 的電腦程式是由「 0 」與「 1 」所組成，想要學習程式設計，必須了解程式中「 0 」與「 1 」所代表的意義。　

– 1954 年 IBM 公司的程式設計師巴克斯 (John

Backus) 設計一套語言規則，發展出第一種提供編譯器功能的高階語言 Fortran ，讓更多人可以輕鬆使用程式語言撰寫程式。


個人電腦的作業系統

– 最早設計出可在個人電腦 (personal

computer ， PC) 上執行的作業系統，是由美國的基爾代爾 (GaryKi lda l l ) 於 1974 年開發的作業系統CP/M 。

– CP/M 能夠安裝在軟碟片 (floppy disk) 或硬碟(hard) 上，使用者要操作作業系統，要透過文字介面輸入指令進行操作（圖 1-2.8 ）。


視窗作業系統

– 直到 1 9 8 1 年美國的全錄公司 (Xerox)推出 Xerox

8010 Informa tion System （簡稱 Xerox Star ），採用圖形使用者介面 (graphic user interface ) ，是世上最早的視窗作業系統（圖 1-2.9 ）。

– Xerox Star 對後來的視窗作業系統影響很大，日後蘋果公司、微軟公司所推出的視窗作業系統，皆是將Xerox Star 視窗操作介面的概念發揚光大。


未來電腦發展趨勢

– 未來電腦的發展趨勢，在電腦體積上會日趨縮小，而執行速度也愈來愈快，一般預測電腦在人工智慧(artificial intelligence ， AI) 的發展下，電腦將變得愈來愈聰明。

– 1997 年的 IBM 電腦 DeepBlue 與世界棋王 Garry

Kasparov 對奕（如圖 1-2.10 ），棋王以一分之差敗給了電腦，震驚全世界。


圖 1-2.10 IBM 電腦 Deep Blue 與世界棋王 Garry Kasparov 的對奕實況。

圖 1-2.11 家用智慧型吸塵器iRobot Roomba 。

1-3 　電腦基本原理

我們給電腦的資料，是電腦無法辨識、處理的格式，就算電腦功能再強也是「英雄無用武之地」，在本單元將介紹電腦處理資料的基本原理。

1-3.1 　數位化觀念與二進位系統

資料數位化處理資料是以磁場方向儲存，其分別代表了「 0 」和

「 1 」的資料。資料透過離磁性表面很近的讀寫頭，由電磁流來改變磁場方向寫到磁碟片上；而相同地資料可以透過一樣的方式讀回。，當讀寫頭經過磁性表面時，磁場導致讀寫頭上線圈的電力改變，感應到該位置的資料是「 0 」或是「 1 」。


二進位數字系統的表示方式若一個數字系統由 b 個符號組成，這個數字系統便稱為 b 進位的數字系統， b 則稱為該數字系統的基底 (base) 。

因此，若有某一數字系統只由「 0 、 1 」二個符號組成，便稱之為二進位數字系統。


舉例來說，在二進位的數字系統下 11012 代表的值便可依各位置的數字乘以該位置的權值（以 2 為基底）算出，這就是二進位數值轉十進位數值的作法：


二進位的四則運算二進位運算規則其實與十進位十分類似，以下是幾個簡單範例：


二進位與十進位的轉換例如將 5310 轉換成二進位的過程如下：


若想將二進位數值轉換成十進位，則將二進位數值中每一個數字乘以該位置的權值就可以得到十進位的數值，以 1101012 為例，轉換成十進位的過程如下：


數位、類比與數位化在進一步討論電腦基本原理之前，我們先來瞭解類

比 (analog) 、數位 (digital) 和數位化 (digitize)

的觀念。


什麼是類比 (analog)

在自然生活中，大多數的事物是以「類比」形態呈現，包括眼睛看見的影像（光波）或是耳朵聽到的聲音（聲波）等，都是呈現連續變化（圖 1-3.4 ）的類比訊號(analog signal) 。

舉例來說，早上的氣溫大約是 30 度，到了中午上升至34 度，而氣溫從 30 度升到 34 度的過程中，會經過31 度、 32.24 度、 33.33333 度⋯，直到最後的34 度停下來，這就是「類比」資料的呈現方式。

資料的間距可以做到無限分割，能反映出不同時間點的變化，屬於連續性 (continuous) 的資料呈現方式。


什麼是數位 (digital)

舉例使用水銀溫度計測量，我們可以從溫度計的「刻度」得知目前氣溫，以自訂的刻度間距決定呈現的範圍。假如溫度計最小單位刻度為 0.5 度，顯示的溫度就可以到達小數後一位。

如果目前氣溫是 34.5433 度，我們可以根據水銀柱所在位置的刻度觀察到，目前的氣溫大約是 34.5 度。

從真實的資料中以有限的方式，截取接近的數據來呈現，屬於離散 (discrete) 的資料呈現方式。


雖然人類和生物可以處理類比訊號，但若要讓電腦也能夠使用及處理這些訊號，就必須將類比訊號轉換成為數位訊號 (digital signal) 才行。

數位訊號是類比訊號「量化」後的訊號，是一種非連續性的位階表示法，最終可轉換為「 0 」與「 1」型態的二進位訊號，圖 1-3.6 為一個數位訊號的範例圖示。


由於類比訊號在傳送或儲存的過程容易受到雜訊的干擾，一旦受干擾類比信號的波形會出現嚴重失真，無法辨識原有的波形，如圖 1-3.7 ，再加上類比信號還有不易控制、不易還原等缺點。

反觀數位訊號在傳送或儲存過程中較無干擾等問題，一旦受到干擾仍舊可以辨識數位信號的波形，如圖 1-3.7 。


如果要讓類比信號能夠減少干擾的問題，要透過數位化的過程，將類比轉換為數位信號，參考圖 1-3.8 。

類比訊號轉換成數位訊號除了可以讓電腦使用外，數位化的最大好處是方便資料傳輸與保存，即使傳輸過程中受到干擾，可透過錯誤檢查機制糾錯，確保資料的正確性，其它的好處還包括有可將資料加密、壓縮等。

1-3.2 　基本數位邏輯處理

電腦是由許多電子元件組成的產物，像是某些元件負責做為記憶單元用來儲存資料，某些元件負責邏輯運算工作，不同的電子元件能夠產生不同的功能，就在於它們的數位電路是由多種邏輯閘 (logic

gate) 組合而成。


邏輯閘是什麼邏輯閘是一種能對一或多個輸入訊號作運算，並產

生輸出訊號的電子電路，由於電子訊號都只有兩種值，例如電壓和電流。

因此可將高電壓定義成邏輯 1 ，而將低電壓定義成邏輯 0 ，透過邏輯閘的方式就能讓電子電路進行邏輯運算，而剛好電腦也是用 0 和 1 來表示位元資料（以電壓的高低）。


基本上邏輯有三種基本類型：且閘 (AND gate) 、或閘 (OR gate) 和反閘 (NOT gate) 透過這三種基本邏輯閘就可以組合出各種複雜的邏輯閘，以下介紹幾種邏輯閘的類型：

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