A1.1 電腦硬體與運作
電腦硬體與運作（Computer hardware and operation）探討 CPU、記憶體與儲存裝置如何合作執行程式。重點是 CPU 內部元件的功能、fetch–decode–execute 循環、CPU 與 GPU 的差異，以及為什麼電腦需要由快到慢的多層記憶體。
CPU 由哪些元件組成？
中央處理器（Central Processing Unit, CPU）負責執行程式指令，主要元件如下：
| 元件 | 功能 |
|---|---|
| 算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit, ALU） | 執行加減等算術運算與 AND、OR、比較等邏輯運算 |
| 控制單元（Control Unit, CU） | 解碼指令，送出控制訊號協調其他元件 |
| 程式計數器（Program Counter, PC） | 存放「下一條指令」的記憶體位址 |
| 記憶體位址暫存器（Memory Address Register, MAR） | 存放即將讀寫的記憶體位址 |
| 記憶體資料暫存器（Memory Data Register, MDR） | 存放剛從記憶體讀出、或即將寫入的資料 |
| 指令暫存器（Current Instruction Register, CIR） | 存放目前正在解碼與執行的指令 |
| 累加器（Accumulator, AC） | 暫存 ALU 運算結果 |
CPU 透過三種 匯流排（bus） 和記憶體溝通：位址匯流排（address bus）傳送位址、資料匯流排（data bus）傳送資料、控制匯流排（control bus）傳送讀／寫等控制訊號。
Fetch–decode–execute 循環怎麼運作？
CPU 不斷重複以下三個步驟執行程式：
- Fetch（擷取）：PC 的位址複製到 MAR，經位址匯流排送到 RAM；RAM 把該位址的指令經資料匯流排送到 MDR，再複製到 CIR；PC 加 1，指向下一條指令。
- Decode（解碼）：CU 解讀 CIR 中的指令，判斷要做什麼運算、需要哪些資料。
- Execute（執行）：ALU 執行運算，或從記憶體讀取／寫入資料，結果存入 AC 或其他暫存器。
flowchart LR
F["Fetch<br/>PC → MAR → RAM → MDR → CIR"] --> D["Decode<br/>CU 解讀指令"]
D --> E["Execute<br/>ALU 運算 / 存取記憶體"]
E --> F多核心與管線化如何提升效能？
- 多核心（multi-core）：一顆 CPU 內有多個核心，可同時執行多個指令流。程式必須能拆成可平行處理的工作，才能真正受益。
- 管線化（pipelining）：當一條指令在執行時，下一條指令已經在解碼、再下一條在擷取，像生產線一樣重疊進行，提高每秒完成的指令數。
CPU 和 GPU 有什麼不同？
圖形處理器（Graphics Processing Unit, GPU）原本為繪圖設計，擁有 數千個簡單核心，擅長對大量資料做同一種運算（平行處理）。
| 比較 | CPU | GPU |
|---|---|---|
| 核心數 | 少（數個到數十個），每個核心很強 | 多（數千個），每個核心較簡單 |
| 擅長 | 複雜邏輯、分支判斷、循序工作 | 大量重複的平行運算 |
| 典型用途 | 作業系統、一般應用程式 | 3D 繪圖、影片編碼、機器學習訓練 |
這就是為什麼訓練神經網路（見 A4 機器學習）通常使用 GPU：矩陣乘法可以拆成大量獨立的小運算同時進行。
為什麼需要多層記憶體？
越快的記憶體越貴、容量越小，所以電腦用 記憶體階層（memory hierarchy） 兼顧速度與容量：
| 層級 | 速度 | 容量 | 是否揮發 |
|---|---|---|---|
| 暫存器（registers） | 最快 | 數百 bytes | 是 |
| 快取（cache，L1／L2／L3） | 很快 | KB–MB | 是 |
| 主記憶體 RAM | 快 | GB | 是 |
| 次要儲存：SSD | 中 | 數百 GB–TB | 否 |
| 次要儲存：HDD | 慢 | TB | 否 |
- RAM（Random Access Memory）：存放正在執行的程式與資料，斷電後內容消失（揮發性，volatile）。
- ROM（Read-Only Memory）：存放開機程式（例如 BIOS／UEFI 韌體），斷電不消失。
- 快取（cache）：位於 CPU 內或旁邊，存放最近或最常使用的資料。CPU 要資料時先查快取，找到稱為 cache hit，找不到（cache miss）才去 RAM 拿，因此快取能大幅降低平均存取時間。
次要儲存裝置有哪些類型？
- 內接（internal）：HDD（機械硬碟，用磁頭讀取旋轉磁碟）、SSD（固態硬碟，快閃記憶體，無移動零件）。
- 外接（external）：USB 隨身碟、外接硬碟、光碟、記憶卡。
- 網路與雲端儲存：NAS、雲端硬碟，透過網路存取，方便分享與備份，但依賴網路連線。
什麼是嵌入式系統？
嵌入式系統（embedded system）是放在更大裝置裡、只負責特定功能的電腦，例如洗衣機控制器、汽車防鎖死煞車系統（ABS）、智慧手錶。特色是功能固定、資源有限、常需要即時反應與低耗電。
推薦影音
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練習題
練習 1：暫存器的角色
在 fetch 階段，PC、MAR、MDR、CIR 的內容依序發生什麼變化？
參考答案
PC 的位址複製到 MAR → 透過位址匯流排向 RAM 要資料 → 指令經資料匯流排放進 MDR → MDR 內容複製到 CIR → PC 加 1 指向下一條指令。
練習 2：快取的效果
說明為什麼增加快取容量通常能提升效能，但不會無限提升。
參考答案
快取越大，cache hit 機率越高，CPU 不必常去較慢的 RAM 取資料。但快取越大成本越高、搜尋時間也會增加，而且程式的存取模式有限，命中率提升到一定程度就趨於飽和。
練習 3：CPU 還是 GPU？
下列工作較適合 CPU 還是 GPU：(a) 訓練影像辨識神經網路；(b) 執行作業系統的檔案管理；(c) 即時算繪 3D 遊戲畫面。
參考答案
(a) GPU，大量矩陣運算可平行化；(b) CPU，包含大量分支判斷與循序邏輯；(c) GPU，每個像素可獨立平行計算。
練習 4：選擇儲存裝置
一位攝影師要在外拍時備份大量照片，應選 HDD、SSD 還是雲端儲存？請說明理由。
參考答案
外拍時建議用外接 SSD：無移動零件、耐震、讀寫快、不需要網路。回到工作室後可再上傳雲端做異地備份。HDD 容量便宜但怕摔，雲端則受限於外拍地點的網路。