接續一看就懂的 一看就懂的 IC 產業結構與競爭關係，《一看就懂的IC》系列將持續為大家介紹 IC 與硬體的核心基礎概念，此為第一集。
還記得我們在先前晶圓代工系列中提到的「半導體」、「IC」嗎？
積體電路（IC 晶片）是將複雜的電路微縮到晶圓上，再經過兩三百道以上的複雜工序、完成封裝測試後，所製造出的電子元件。
IC 可以說是一個完整的電路系統，能用來處理資訊。電腦、手機、數位相機、電視、冰箱… 等消費性電子產品或家電用品，裡面全都有 IC晶片。
其實我們在之前只明確介紹了「晶圓代工」的技術環節。在這邊為讀者澄清一下觀念。所以這時候的你可能還是搞不懂：
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IC 的用途具體來說是什麼？
CPU、GPU、記憶體等等都是 IC 噢！
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為什麼要用半導體？
以前的電腦是由真空管做的，但因成本過高、效能低，才變成用半導體元件電晶體取代。
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為什麼都說電腦的世界只有 0 與 1？
因為電腦採用的是二進位制。（人類是用十進位制）
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電晶體開開關關的任務是為了什麼？
做二進位邏輯運算的邏輯閘。
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組成電腦的處理器、記憶體、螢幕，元件之間的關係是什麼？
依據馮紐曼的架構來的。至今全世界的電腦仍採用此架構。
好啦，在〈一看就懂的 IC〉的系列中，我們就要來解答這幾個問題。
本系列將為讀者科普一下計算機構造和 IC 晶片的原理。不但是看懂高通與聯發科等 IC 設計大廠在幹嘛之前的必讀知識，也能瞭解一下台灣電機系與資工系到底在學什麼。
啪嗒啪嗒打著程式… 你有想過，電腦是怎麼讀的懂你的程式呢？電腦該怎麼做運算呢？
一天到晚聽到的處理器、記憶體、記憶體的讀寫次數、暫存器… 等等名詞，到底是什麼意思呢？
等等… 你有想過，電腦到底又是怎麼來的嗎？（沒有，因為你只想到你自己。就像你不知道，在非洲每分鐘過去、就是60秒過去了。）
每次查詢相關名詞或翻開電腦介紹書，總是乏味又難懂到難以看完嗎？放心，這將會是你看過最不無聊的硬體結構介紹！
電腦是怎麼來的？
ENIAC：情人節誕生的奇蹟
普遍認為最早的通用電腦，是美國賓州大學的莫奇來 (Mauchly) 和他的學生埃克特 (Eckert) 在 1946 年 2 月 14 日當天所發表的「ENIAC」 。 情人節別再討論單身魯了，人家可是在情人節顛覆世界呢…
ENIAC 計算機在進行每一次運算之前，都須根據運算要求、把不同的元件用人工插接線路的方式連接在一起。將輸入裝置和輸出裝置設好後，才進行通電……啪！一聲，電腦噠噠噠的開始運作。
但現在可能正用電腦看這篇文章的你，好像不需要在開機前把電線插來插去才能使用？
因為這個電路沒有儲存程式的功能。最早的計算機器僅內涵固定用途的程式，比如一台「計算機器」僅有固定的數學計算程式，除此之外便無其他，無論是文書處理或玩遊戲都不行。
若想要改變這台機器的功能，你必須更改線路結構、甚至重新設計機器。
太麻煩了吧！有沒有什麼更好的辦法呢？比如，做出一台能跑遊戲又能做文書處理的「通用電腦」？
EDVAC：馮·紐曼結構與現代電腦
1945 年 6 月，是現代電腦科學的里程碑。著名的美籍猶太裔數學家馮·紐曼 (John von Neumann) 與多位學者聯名發表了一篇長達101頁的報告《First draft of a report on the EDVAC》其中包括兩大建構電腦的原則：
- 大膽捨棄了十進制、改以二進制運算和儲存資料。
- 要被執行的程式得先放在記憶體中、要執行時再去記憶體中抓出來。
事實上，這兩點原則都指向了報告最核心的概念——「可儲存程式的電腦 (Stored Program Computer) 」。
如果是一台能儲存程式的電腦，只要一開始先將「文書程式」與「遊戲程式」都載入記憶體中，再告訴電腦去記憶體的哪一個位置開始執行就可以完成，在不需更動硬體的情況下就能讓電腦變得更加有彈性。
1951年，美國軍方根據這份報告、並透過馮·紐曼的協助，斥資五十萬美元打造了計算機「EDVAC」。
馮紐曼與 EDVAC 電腦
相較於十進位、又須人工插接電路的 ENIAC，可以說 EDVAC 是第一台現代意義的通用計算機，至今全世界的電腦皆仍採用「馮·紐曼架構」。
講白點，馮紐曼架構就是一個造電腦的「數學模型」，也是目前唯一成功被實作出、全世界電腦唯一使用的數學模型。
繼馮紐曼電腦後、第二個被認為可能實作出來的數學模型為量子電腦 (Quantum Computer) ，但到現在還沒真的成功做出來。其他也還有一些架構，比如哈佛架構、仿生電腦，基本上都還處於理論階段，沒有出現在商業用上。
（若是讀者對於量子電腦架構有興趣的話，歡迎參考Kurzgesagt 可愛動畫介紹噢。記得開中文字幕！）
馮紐曼能打造一個電腦架構，至今延續超過 70 年全世界的電腦都還在用它，實在太厲害。
除此之外，馮紐曼還是博弈論的創始人，也被稱作「博弈論之父」；博弈論被認為是 20 世紀經濟學最偉大的成果之一。另外他在量子力學上也有著重大貢獻…
咳咳，離題了。總之希望經過這樣的介紹，您能對馮紐曼此人天才的逆天程度有一些概念啊。
備註：不過可儲存程式電腦這個概念並不是由馮·紐曼提出、而是圖靈 (Turing) 提的圖靈機 (Turing Machine) 噢～
就是小班在電影模仿遊戲中飾演的那位，馮·紐曼只是將可儲存程式電腦真的實作出來。
但你想進一步知道圖靈是為什麼會提出圖靈機這個數學模型嗎？那你得再參考我先前寫的一篇文章了。（天啊，這接下來又得為大家開一個專題討論了）
馮紐曼的現代電腦架構
接下來，讓我們針對馮紐曼架構、來為讀者做進一步的解釋，同時瞭解 CPU 與記憶體的設計原理。
馮紐曼架構（ 可儲存程式電腦）
在馮紐曼式的電腦中，電腦被分成了五大單元、缺一不可，分別稱作「控制器」、「運算器」、「儲存器」、「輸入設備」（Input）與「輸出設備」（Output）。
「輸入設備」就是你用來將外部資料輸入到電腦的東西，比如鍵盤、滑鼠。「輸出設備」就是將電腦內部的資料輸出到外部給你看的東西，比如螢幕、印表機。
蠻多新創公司、遊戲開發商、工程師、技術宅宅都會用 .io 的網址，比如 spring.io。讓 .io 變成繼 .com 之後的熱門網域。原來是因為 io 剛好有 I/O (Input/ output) 的意義～ XD
那「控制器」、「運算器」和「儲存器」又是什麼呢？
在這裡我們就要講一個小當家做菜的故事啦。
儲存器，也就是實際上的「記憶體」。可以把記憶體想像成一個大櫃子，每個櫃子都有一個編號，我們稱為位址（Address）。常常聽到的「記憶體位址」就是這個意思噢！
這些櫃子中，會用來儲存正在執行中程式的「程式碼」（指令）、和待處理的「資料」。
想像一下，這些指令就是我們的食譜、資料就是食材；對資料要求做加減乘除的處理程序，其實就是對食材做蒸煮炒炸的感覺呢！
等等，那是誰要負責執行這些食譜和煮食材呢？當然就是我們的廚師、也就是處理器要做的事情啦！
但這個廚師腦子記不太得東西，你得告訴他：要去記憶體位址哪邊抓食譜、和要去記憶體位址的哪邊抓食材。這個動作就叫做「Memory Read」（讀取記憶體）。
想想你炒菜的時候，一定要先把料從冰箱拿出來放到鍋子的旁邊啊，總不會要炒菜的時候、才衝到冰箱把菜拿出來吧？這樣鍋子都要燒乾了。
所以我們把要煮的食材（要運算的資料）從記憶體抓出來後，會先把它暫存到 CPU 的一個空間，這個空間就叫做「暫存器」，專門放即將要算的資料、和剛算好的資料。
你就想像暫存器（Register）就是你鍋子邊放要煮食材、和剛煮好的菜的盤子。依據不同架構的 CPU ，暫存器的數量會不同。像 ARM 和 MIPS 架構的處理器裡面便有 32 個暫存器。
然後 CPU 廚師會開始根據食譜煮煮煮食材… 煮完後，又把剛煮好的菜餚先放到手邊的盤子中，也就是 CPU 中的另一個暫存器。
但你煮完的菜餚總不能一直放在廚房繼續佔空間啊，廚房是要煮菜的地方，你得放回倉庫存放啊！
所以 CPU 會把煮好的菜（運算完的結果）送回記憶體的格子中。這個動作就叫做「Memory Write」（寫入記憶體）。
同時，廚師會繼續根據「程式計數器」（Program Counter, PC）上記載的記憶體位址，來取得下一張要執行的食譜。你就想像它只是另一個用來放食譜單子的倉庫地址的盤子！
Program Counter 是一個特殊的暫存器，專門用來存放下一個要被執行的指令所在的記憶體位址。也可以叫它 Instruction Address Register 或 Instruction Counter。
哇！輕輕鬆鬆就瞭解馮紐曼架構了，以後再看到 CPU、記憶體、記憶體位址、暫存器、記憶體的讀寫次數、Program Counter… 之類的討論和名詞，相信不會再害怕了呢～ヽ(●´∀`●)
講這麼多，這個架構在實際上的硬體，是長什麼樣子呢？
在一塊個人電腦的主機板上，可以插上 CPU 處理器、主記憶體、顯示卡，再接上硬碟，連接到鍵盤，連上螢幕，最後接上電源。
這樣就是一台馮紐曼架構的電腦啦！
來看一下我們講的馮紐曼架構五大單元，是不是都在上面：「控制器」與「運算器」（都包在CPU裡面）、「儲存器」（記憶體）、「輸入設備」、「輸入設備」。
登愣！這樣就出現一台可以正常運作的電腦了！很簡單吧～～以後別怕身邊沒有工具人，自己當自己的工具人吧～ (〒︿〒)
大家想玩玩看的話，閒閒沒事就把主機板打開，發揮一下動手拆的駭客精神、看看裡面有哪些東西吧！還可以用來烤煎餅噢。看完內部架構（煎完煎餅）再裝回去就沒事了XD
https://www.youtube.com/watch?v=3ArW4uogl9w
這時候就要回顧一下一開始說的… 還記得我們提到，為什麼馮紐曼架構電腦，為什麼會比本來的 ENIAC 電腦更好呢？
因為在電腦要執行程式之前，先將要執行的「程式碼」與「資料」儲存於記憶體。若要變更任務，只需要修改程式即可，省去更改線路的麻煩。
另外，還記得「指令集架構」這個名詞嗎？
結合我們先前在 Intel x86 與 ARM 架構大戰 一文中介紹過的——任何產品在設計的時候，都要先制定規格、再依據規格設計出相應的產品。當我們想要設計 CPU 時，要制定的規格就是「指令集架構」(Instruction Set Architecture, ISA )。
- 指令集
- 該指令集依附的機器結構敘述（Hardware Information）
提供工程師造計算機的抽象規格。根據相同的抽象規格，可以採用不同的方式造出計算機，然而造出來的計算機會彼此相容，也就是功能、規格相同。
所以如果我們把 ISA 和馮紐曼架構結合在一起，就是：
指令集架構（ISA）+ 馮紐曼架構 （Von Neuman Machine）
= 電腦基礎架構（Basic Computer Structure）
無論是伺服器、Workstation、個人電腦、筆電，還是你的手機、平板電腦等電子產品，至今！全部！都是採用馮紐曼架構的電腦噢！
可以想想並找找看手機的運算單元、儲存單元、 I/O裝置分別是哪些硬體噢！把手機拆開來看看也行 <-不負責任推坑，要知道怎麼裝的回去喔！
歡迎大家收看今天的〈邁向硬體宅之路〉第一集。我們今天學到了：
- 馮紐曼是一位多可怕的逆天天才。
- 馮紐曼架構有五大單元（控制、運算、儲存、I/O）
- 無論手機電腦等電子產品全都是馮紐曼架構。
- 「I/O設備」對應到的，就是鍵盤、滑鼠，與螢幕、印表機。
- 「控制/運算/儲存單元」如何運作，也就是 CPU 和記憶體之間的關係（廚師拿食材與指令 / 倉庫）
- ISA + 馮紐曼架構 = Basic Computer Structure
快脫離曾經的 100% 科技小白，自己的工具人還是自己當吧！
等等，我還有個問題！記憶體和硬碟，到底有什麼差別？（難道硬碟和 CPU 的關係就是這樣嗎？）
不噢，CPU 不會直接去硬碟抓資料。有些產品雖然叫「記憶體」、比如快閃記憶體 Flash，但它的身份其實是硬碟；符合我們這邊介紹的記憶體是 DRAM。
蛤，我還是聽不太懂差異耶？而且記憶體又有 DRAM、SRAM、SDRAM、DDR、LPDDR、Nor Flash、NAND Flash…. 各式各樣的，到底差異在哪邊啊（暈）
三星、SK 海力士、美光、金士頓，或台灣的創見、威剛、旺宏等「記憶體大廠」，又差異在哪？分別銷售哪幾種產品呢？
本系列的第二集，就讓我們來更進一步介紹記憶體吧！會在下週日公布，還請準時收看噢。
點我看第二集：DRAM、NAND FLASH 最近貴到炸，你還搞不懂記憶體的差異嗎？
Lynn 的補充：
如果我們利用 ARM 架構下的組合語言，把 CPU 要執行的指令寫出來，就會是：
ADD R0, R1, R2 //R0 是目的暫存器，R1 和 R2 是來源暫存器。
意思是把編號 R1 和 R2 暫存器中的數字拿出來做「ADD」（加法），加完後的結果存回 R0 中。
也就是：若 R1 和 R2 的數字分別是 1 和 2，加完後為 3、3 會被存回 R0 這個暫存器中。這段程式碼背後的過程機制。也就是上面所介紹的內容。
- 資料參考來源：
- 交通大學-計算機組織開放課程
- 北京大學-計算機組成開放課程
- 圖片來源：
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