電腦是什麼？它是如何運作的？
今天我們要了解電腦的本質與運作方式，並介紹現代電腦的核心設計——Von Neumann 架構。
一、什麼是電腦？
電腦是一種能自動執行程式、處理資料的電子設備。
基本工作流程如下：
- 接收輸入資料（Input）
- 依照指令進行處理（Processing）
- 輸出結果（Output）
- 儲存資料（Storage）
不論文字處理、網頁瀏覽或遊戲，電腦都遵循這個流程。
二、電腦如何運作？
電腦內部的電子電路只能辨識兩種狀態：高電壓（High）或低電壓（Low）。
- 高電壓對應數字 1
- 低電壓對應數字 0
這就是二進位系統的基礎，所有資料（文字、圖片、音訊、影片）都必須轉換成數字，進而用 0/1 表示。
- 表示 0/1 的最小單位稱為「位元」（bit）。
- 而通常會以 8 個位元為一個單位，稱為「位元組」（byte）。
- 即：1 byte = 8 bits
電腦運作可以概括為三個層面：
- 資料的儲存：程式與資料存放於記憶體或儲存裝置。
- 資料的處理：CPU 根據指令進行運算和邏輯判斷。
- 資料的傳輸：在 CPU、記憶體、輸入/輸出裝置間移動資料。
三、Von Neumann 架構——現代電腦設計藍圖
Von Neumann 架構由約翰·馮·諾伊曼於 1945 年提出，是現代電腦的標準設計。核心組件包括：
中央處理器（CPU）
CPU 是電腦的大腦，由兩個主要部分組成：算術邏輯單元（ALU, Arithmetic Logic Unit）
ALU 負責執行所有數學運算和邏輯運算：- 數學運算：加、減、乘、除
- 邏輯運算：比較、AND、OR、NOT 等
舉例來說，如果電腦要計算
5 + 3，CPU 會把 5 和 3 傳給 ALU，ALU 計算出 8，再送回記憶體。
ALU 也負責條件判斷，例如比較兩個數字的大小，決定程式接下來要執行哪條指令。控制單元（CU, Control Unit）
CU 讀取記憶體中的指令，解碼後指揮 ALU、記憶體和輸入/輸出裝置執行相應操作。
可以把 CU 想像成「指揮家」，指揮整個 CPU 的工作。
記憶體（Memory）
用來暫存程式和資料。CPU 執行程式時，會先將資料載入記憶體。記憶體速度快，但斷電後資料會消失（揮發性）。輸入裝置（Input Devices）
將使用者或外部系統資料送入電腦，例如鍵盤、滑鼠、感測器。輸出裝置（Output Devices）
將處理結果呈現給使用者或其他系統，例如螢幕、印表機、喇叭。儲存裝置（Storage）
長期保存資料和程式，例如硬碟、SSD。存取速度比記憶體慢，但斷電後資料仍保留（非揮發性）。
核心特點
- 程式與資料共享同一記憶體：CPU 可隨時讀取程式指令或操作資料。
- 順序執行指令：CPU 按記憶體順序依次讀取指令、執行運算，再讀下一條。
- 簡化硬體設計：程式和資料共用記憶體，設計簡單且靈活。
四、資料流概念
在 Von Neumann 架構中，資料流動流程如下：
- 輸入裝置將資料送入記憶體。
- 控制單元讀取記憶體中的指令。
- 指令送到 ALU 進行運算或邏輯操作。
- 運算結果回寫到記憶體。
- 輸出裝置將結果呈現給使用者。
五、總結
電腦是可以自動處理資料的電子設備，它以二進位系統運作，所有資料都被轉換成 0/1。
ALU 是 CPU 的核心部件，負責所有運算和邏輯判斷；控制單元則協調資料流和指令執行。
Von Neumann 架構提供了標準化設計，使程式和資料能在同一記憶體中操作，按順序執行指令。
理解這個架構，是掌握電腦運作原理的重要第一步。