108 年 國立中央大學土木工程學系碩士班：防災與資訊應用組《計算機概論》

本題主要考驗考生對於電腦硬體介面標準的認識。SATA (Serial ATA) 是目前個人電腦中，連接儲存裝置（如硬碟、固態硬碟）與主機板之間最常見的傳輸介面標準。

SATA (Serial ATA: Serial Advanced Technology Attachment)

SATA 是一種用於電腦內部連接儲存裝置（如硬碟 HDD、固態硬碟 SSD）與主機板的序列式介面標準。與早期的 ATA (IDE) 並列式介面相比，SATA 具有以下優點：

1. 更高的傳輸速度：SATA 採用序列通訊，點對點的連接方式，減少了訊號干擾，能夠提供比傳統 PATA (IDE) 更高的傳輸速度。從 SATA/150 (1.5 Gbps) 到 SATA/300 (3 Gbps)，再到 SATA/600 (6 Gbps)，速度不斷提升。
2. 更細的纜線：SATA 使用細小的纜線，有利於機箱內的空氣流通，也更容易佈線。

本題考驗考生對固態儲存裝置的理解，SSD 是現代電腦中常見的儲存設備，其原理與傳統硬碟有顯著差異。

SSD (Solid-state drive)

SSD (Solid-state drive)，中文稱為固態硬碟，是一種電子式儲存裝置，它不像傳統的 HDD (Hard Disk Drive) 那樣使用旋轉的磁碟片和移動的讀寫磁頭來儲存和讀取數據，而是利用快閃記憶體 (Flash Memory) 晶片來儲存數據。

SSD 的主要組成部分包括：

1. NAND Flash 儲存晶片：這是 SSD 的核心，用於實際儲存數據。NAND Flash 記憶體具有非揮發性 (Non-volatile)，即使斷電也能保存數據。
2. 控制器 (Controller)：這是 SSD 的大腦，負責管理 NAND Flash 晶片的讀寫操作、錯誤校正 (ECC)、磨損平均 (Wear Leveling)、垃圾回收 (Garbage Collection) 等。

本題考查大數據 (Big Data) 的概念，這是當今資訊科技領域非常熱門且重要的議題。

Big Data

Big Data 指的是那些傳統的數據處理應用軟體難以在可接受的時間內進行捕捉、管理、處理和分析的數據集合。其特徵通常被概括為「3V」或「5V」，最經典的是「3V」：

1. Volume (數據量)：指數據的規模龐大，從 TB (Terabytes) 級別到 PB (Petabytes) 級別甚至 EB (Exabytes) 級別。例如，社交媒體每天產生的貼文、圖片、影片，或是物聯網設備傳回的感測器數據，都屬於海量數據。
2. Velocity (數據速度)：指數據產生、傳輸和處理的速度非常快，通常是即時或接近即時的。例如，金融交易數據、網路流量、物聯網感測器數據等，需要快速處理以做出即時決策。

本題考查物聯網 (IoT) 的概念，這是近年來蓬勃發展的技術領域。

IoT (Internet of Things)

IoT，全稱為 Internet of Things，中文是「物聯網」。它指的是將日常生活中各種各樣的物理設備（稱為「物」）嵌入感測器、軟體和其他技術，使其能夠透過網際網路（或其他通訊網路）相互連接，並與其他設備或系統進行數據交換和通信。

簡單來說，IoT 就是讓「萬物皆可聯網」並具備「智慧」的能力。這些「物」可以是：

• 消費性產品：如智慧家電（智慧冰箱、智慧燈泡、智慧音箱）、穿戴式裝置（智慧手錶、健身追蹤器）。
• 工業設備：如工廠裡的機器、感測器、自動化系統。
• 交通工具：如智慧汽車、無人機。
• 基礎設施：如智慧電網、智慧路燈、智慧建築。
• 農業設備：如土壤感測器、自動灌溉系統。

IoT 的核心要素包括：

本題考查網際網路協定版本 IPv6 的概念，這是現今網路發展的重要趨勢。

IPv6

IPv6 (Internet Protocol version 6) 是網際網路協定 (IP) 的最新版本，旨在取代目前廣泛使用的 IPv4。IPv4 在設計之初，預期的網路規模遠小於今日，導致 IP 位址資源日益枯竭，是其最大的瓶頸。IPv6 的主要目的是解決 IPv4 的位址耗盡問題，並提供其他改進。

IPv6 相較於 IPv4 的主要特點和優勢包括：

1. 巨大的位址空間：IPv4 使用 32 位元來表示 IP 位址，大約有 43 億個位址。而 IPv6 使用 128 位元，可以提供 $2^{128}$ 個 IP 位址，這個數量極其龐大，足夠為地球上的每一個粒子分配 IP 位址，徹底解決了位址耗盡的問題。IPv6 位址通常以八組為單位，每組四個十六進位數字，用冒號分隔，例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
2. 更簡化的報頭 (Header)：IPv6 的報頭結構比 IPv4 更簡單，固定長度為 40 位元組，減少了路由器處理報頭的時間，提高了封包傳輸效率。

本題考查 SSL (Secure Sockets Layer) 的概念，這是網路安全中重要的加密協定。

SSL (Secure Sockets Layer)

SSL (Secure Sockets Layer) 是一個標準的安全技術，用於在網際網路上的兩個通訊應用程式之間，建立一個加密的連結。它確保在客戶端（如網頁瀏覽器）和伺服器（如網站伺服器）之間傳輸的數據是私密且完整的，防止數據在傳輸過程中被竊聽或篡改。

SSL 最初由網景公司 (Netscape) 開發，後來被 TLS (Transport Layer Security) 取代，TLS 是 SSL 的後繼者，提供了更強的安全性和功能。儘管 TLS 已成為現今的標準，但「SSL」這個術語仍然被廣泛使用，人們常將兩者混用。

SSL/TLS 的主要功能包括：

1. 資料加密 (Encryption)：使用對稱加密和非對稱加密技術，對傳輸的數據進行加密，使其在傳輸過程中無法被未經授權的第三方讀取。

本題考查 VPN (Virtual Private Network) 的概念，這是現代網路安全與遠端存取的重要技術。

VPN (Virtual Private Network)

VPN，全稱為 Virtual Private Network，中文是「虛擬私人網路」。它是一種技術，可以在公共網路（如網際網路）上建立一個加密的安全通道，讓使用者能夠安全地存取遠端網路資源，或在公共網路中隱藏其真實 IP 位址，達到保護隱私的目的。

VPN 的核心概念是「虛擬」和「私人」：

• 虛擬 (Virtual)：VPN 實際上是在公共網路上創建一個邏輯上的、專用的通道，而不是物理上的專用線路。
• 私人 (Private)：這個通道是加密的，只有授權的用戶才能存取，確保數據傳輸的私密性，就像在私人網路中一樣。

VPN 的主要功能和應用場景包括：

本題考查 Web Crawler (網路爬蟲) 的概念，這是搜尋引擎和數據收集的核心技術。

Web Crawler

Web Crawler，也稱為 Spider、Web Robot 或 Bot，是一種自動化的程式，用於在網際網路上系統地瀏覽和抓取網頁內容。它的主要目的是收集網頁資訊，以便進行索引、分析或儲存。

Web Crawler 的工作流程大致如下：

1. 起始 URL 列表：爬蟲從一個或多個已知的 URL 開始，這些 URL 被稱為「種子 URL」(Seed URLs)。
2. 下載網頁：爬蟲訪問這些 URL，並下載對應的網頁內容（HTML 文件）。
3. 解析網頁：爬蟲解析下載的 HTML 文件，提取其中的文本內容、圖片、連結等資訊。
4. 提取連結：從網頁中找出所有的超連結 (Hyperlinks)，並將這些新的 URL 加入到待處理的 URL 隊列中。
5. 重複：爬蟲不斷重複下載、解析、提取連結的過程，從而一層一層地、廣泛地抓取網際網路上的資訊。

Web Crawler 的主要應用包括：

本題主要考查考生對電腦硬體架構、各主要元件功能及其之間如何協同工作的理解。

電腦主機的主要組成零件與資訊傳輸方式

現代典型電腦主機（不含顯示器、鍵盤、滑鼠等外部週邊，主要指機箱內的組件）主要由以下核心零件組成，它們之間透過主機板上的匯流排 (Bus) 和各種連接埠互相傳遞資訊：

1. 中央處理器 (CPU - Central Processing Unit)：

   • 功能：電腦的「大腦」，負責執行程式指令、進行運算和邏輯判斷。
   • 與其他元件的連接：CPU 插槽 (Socket) 直接安裝在主機板上，透過 CPU 匯流排 (Front-Side Bus, FSB) 或 超傳輸通道 (HyperTransport) 等高速通道與主機板上的北橋晶片 (Northbridge) 或晶片組 (Chipset) 進行高速通訊，以存取記憶體和 PCI Express 匯流排上的其他裝置。

2. 主機板 (Motherboard/Mainboard)：

   • 功能：電腦的骨幹，是一個大型印刷電路板，上面整合了 CPU 插槽、記憶體插槽、擴充槽 (如 PCI-e)、儲存裝置介面 (SATA, M.2)、晶片組，以及各種連接埠。所有元件都透過主機板連接。
   • 資訊傳輸：主機板上佈滿了各種 匯流排 (Bus)，如：
     • 系統匯流排 (System Bus)：連接 CPU、記憶體和晶片組，負責高速數據傳輸。
     • 擴充匯流排 (Expansion Bus)：如 PCI Express (PCIe)，用於連接顯示卡、網路卡、音效卡等擴充裝置。
     • 儲存匯流排：如 SATA、M.2 NVMe，用於連接硬碟、SSD 等儲存裝置。
     • I/O 匯流排：連接 USB、網路孔、音訊孔等外部介面。

3. 記憶體 (RAM - Random Access Memory)：

   • 功能：暫存 CPU 當前正在執行和處理的程式及數據。RAM 是揮發性記憶體，斷電後內容會消失。
   • 與其他元件的連接：RAM 插槽 (DIMM slots) 位於主機板上，通常透過主機板上的記憶體控制器（可能整合在 CPU 或北橋晶片中）與 CPU 進行高速傳輸。數據傳輸速度非常快，是 CPU 存取數據的重要通道。

本題需要考生觀察圖片中的產品標籤，並理解容量單位換算。圖片中的硬碟標示了「1.0TB」，需要將其轉換為位元組 (Bytes)。

計算產品容量（位元組）

圖片中的硬碟標示容量為 1.0TB。
這裡的 TB (Terabyte) 通常指的是兆位元組，在儲存容量的計算中有兩種常見的定義：

1. 十進位定義 (SI)：1 TB = $10^{12}$ 位元組 (Bytes)。這是硬碟製造商通常採用的標準。
2. 二進位定義 (IEC)：1 TiB (Tebibyte) = $2^{40}$ 位元組 (Bytes)。這是作業系統（如 Windows）有時使用的定義，但較少直接標示為 TB。

根據題目要求「幾個位元組」，且通常硬碟標示容量採用十進位標準，我們計算如下：

1 TB = $10^{12}$ Bytes
1 TB = 1,000,000,000,000 Bytes

本題要求考生根據圖片中的硬碟標籤，解釋產品型號、規格，並說明其中特定術語的含義。

產品標籤資訊解釋

根據圖片中硬碟標籤的資訊，我們可以解析出以下內容：

1. 產品型號 (Model Number)：

   • WD Blue 1.0TB
   • WD10EZEX-00BN4A0 (較詳細的型號，其中 WD 代表 Western Digital，10 代表 1TB 容量，EZEX 是系列代號)。

2. 品牌 (Brand)：WD (Western Digital)

3. 系列 (Series)：WD Blue (這是 WD 的一個主流系列，通常定位於日常使用、性價比高的產品)。

4. 容量 (Capacity)：1.0TB (Terabyte)。

5. 介面 (Interface)：

   • 標籤上有 SATA/64MB Cache 字樣，表示此硬碟使用 SATA 介面。

6. 緩衝記憶體 (Cache Memory)：

   • 64MB Cache。

7. 轉速 (Rotational Speed)：

   • 標籤中寫有 "7200 Class"。這表示此硬碟的轉速為 7200 RPM (Revolutions Per Minute，每分鐘轉速)。

8. 製造日期 (Date)：

   • DATE: 28 FEB 2018。

9. 產地 (Country of Origin)：

   • Made in Malaysia。

10. 其他規格與認證：

    • DC 5V - 0.46A (直流 5V 電壓，消耗 0.46 安培電流)。
    • DC 12V - 0.58A (直流 12V 電壓，消耗 0.58 安培電流)。
    • CE, FCC, UL 等各種安規認證標誌。

特定規格解釋：

本題考查韌體 (Firmware) 的概念及其應用。韌體是介於硬體和軟體之間的一種重要存在。

韌體 (Firmware)

韌體 (Firmware) 是一種儲存在電腦硬體設備中的特殊類型的軟體。它通常儲存在非揮發性記憶體（如 ROM、EPROM、Flash Memory）中，其主要目的是提供低階的硬體控制和操作功能，使硬體能夠被作業系統或應用程式識別和使用。

與一般應用程式軟體不同，韌體更接近硬體本身。它通常在硬體啟動時首先被載入和執行，負責初始化硬體設備，並提供必要的驅動或介面。韌體一旦被燒錄到晶片上，除非經過更新，否則通常不會改變。

韌體的特性：

• 儲存位置：非揮發性記憶體 (ROM, Flash Memory)。
• 功能：控制硬體、初始化硬體、提供低階操作指令。
• 更新：韌體可以透過特定程序進行更新，以修復錯誤、增強功能或支援新硬體。
• 與作業系統的關係：韌體是硬體能被作業系統識別和使用的前提。作業系統會透過韌體提供的介面來驅動硬體。

韌體的舉例說明：

1. BIOS/UEFI (於電腦主機板)：
   • 說明：這是電腦開機時最先執行的韌體，儲存在主機板上的 ROM 或 Flash Memory 中。
   • 功能：負責初始化電腦硬體（如 CPU、記憶體、顯示卡），進行自我檢測 (POST - Power-On Self-Test)，並載入作業系統。

本題考查作業系統 (Operating System) 的基本概念和常見實例。

作業系統 (Operating System)

作業系統 (Operating System, OS) 是電腦系統中最基礎、最核心的系統軟體。它充當了使用者與電腦硬體之間的介面，並負責管理電腦的所有硬體資源（如 CPU、記憶體、儲存裝置、輸入/輸出設備）和軟體資源。

作業系統的主要功能包括：

1. 資源管理 (Resource Management)：

   • 處理器管理 (CPU Scheduling)：決定哪個程序在何時使用 CPU，以及使用多久。
   • 記憶體管理 (Memory Management)：分配和回收記憶體空間給各個程序，確保程序間不會互相干擾。
   • 檔案管理 (File Management)：組織、儲存、讀取和寫入檔案，提供檔案系統的介面。
   • 設備管理 (Device Management)：管理各種輸入/輸出設備（如印表機、鍵盤、滑鼠、網路卡），並透過驅動程式提供統一的存取方式。

2. 提供使用者介面 (User Interface)：

   • 命令列介面 (CLI - Command Line Interface)：使用者透過輸入文字指令與系統互動。
   • 圖形使用者介面 (GUI - Graphical User Interface)：使用者透過圖示、視窗、選單等圖形元素與系統互動，更直觀易用。

3. 程式執行與管理 (Process Management)：

   • 創建、終止、暫停和恢復程序（或稱為行程）。
   • 程序間的通訊和同步。

4. 系統安全與保護 (System Security)：

   • 保護系統免受未授權存取、惡意軟體攻擊，並保護用戶數據。

本題考查平行運算 (Parallel Computing) 的概念，這是現代高效能運算的核心技術。

平行運算 (Parallel Computing)

平行運算是一種利用多個處理器（或多個計算單元）同時處理同一問題的計算方法。其核心思想是將一個大型、複雜的問題分解成多個較小的、可以獨立或協同處理的子任務，然後將這些子任務分配給不同的處理器同時執行，以縮短總體計算時間，提高處理效率。

與串列運算 (Serial Computing) 相比，平行運算的優勢在於能夠顯著提升計算速度，尤其對於處理大規模數據、複雜模擬、科學計算和人工智慧等密集型計算任務至關重要。

平行運算的主要類型：

根據處理器之間的協同工作方式和記憶體共享方式，平行運算可以分為幾種類型：

1. 共享記憶體平行運算 (Shared Memory Parallelism)：

   • 特點：所有處理器共享同一塊記憶體空間。處理器之間透過讀寫共享記憶體來交換數據。
   • 硬體架構：常見於多核心 CPU（如個人電腦的 CPU），或稱 SMP (Symmetric Multiprocessing)。
   • 優點：數據交換相對簡單，開發較容易。
   • 缺點：隨著處理器數量增加，記憶體存取衝突可能成為瓶頸。

2. 分散記憶體平行運算 (Distributed Memory Parallelism)：

   • 特點：每個處理器有自己獨立的記憶體空間。處理器之間需要透過網路（如乙太網路、InfiniBand）來傳遞訊息 (Message Passing) 以交換數據。
   • 硬體架構：常見於叢集電腦 (Cluster Computing)、超級電腦。
   • 優點：可以擴展到非常大的處理器規模，記憶體容量總體更大。