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電子光電:通訊與電腦

99/07/06 瀏覽次數 25019
人類是少數會製造工具的高等動物,從依靠勞力的農業社會,進而發明了蒸氣機做為開發媒、鐵、鋼等「機械化」的工具,這是 18 世紀的第ㄧ次工業革命。隨後有「電氣化」的工具,如電力系統、電報、電話等,並促成了石化業的發展,以及汽車與飛機的發明,這是第二次工業革命。

到了 20 世紀,又有電晶體、電子計算機、個人電腦等發明的「資訊化」革命,或稱第3次工業革命。電晶體與積體電路的發明,使所有產業呈現躍進式的進步;而電腦的發明,又促成電子、半導體、資訊、光電、通訊、生物科技等產業的結合。

世界第ㄧ個電晶體,是 1947 年貝爾實驗室 3 位科學家巴定(Bardeen)、布拉頓(Brattain)及蕭克立(Shockley)所發明的。至於第ㄧ個積體電路,則是由德州儀器公司所設計的。人類隨著知識的增長,因為政治、經濟、社會、工業等需求不同,製造的工具越來越複雜,可是在眾多發明中,無一像電晶體、電腦一般可以應用於不同產業或平台,甚至可跨平台應用,對文明產生了重大衝擊,也深深改變了人類的生活。

人類的知識預估每 10 年增加 1 倍,過去幾十年的科學發展,比整個人類歷史的發現還多。科技發展顛覆了人類傳統的產業與生活方式,新的科技又不斷地出現,不只數量驚人,還意味著新時代—「知識經濟」時代—的來臨。

電腦的演進

電腦原本是用來運算或統計數字的機器,一般以製造的元件做世代的劃分:第ㄧ代是真空管電腦;第二代是電晶體電腦;第三代是積體電路電腦、第四代則是以大型積體電路或晶片製作的電腦;第五代電腦以超大型積體電路為基礎,具備人工智慧。在經年累月的改良後,電腦不僅能夠接受輸入的資料,還可以計算或依邏輯判斷分析,儲存結果,或依一定的格式輸出。

在電腦架構中,范紐曼(von Neumann)是最早提出內儲程式概念設計的科學家,范紐曼架構是一種電腦指令與資料共存在記憶體的設計概念。他認為,電腦應該具備簡單與固定的架構,藉由程式化的控制來執行不同的計算,且不需要改變硬體架構。也就是說,電腦可利用內儲程式變化,以程式化方式來實現所需的計算。

范紐曼架構包括 5 個重要的單元:控制單元(如人的大腦)、具運算功能的算術邏輯單元(如人的四肢)、記憶體單元、輸入單元,以及輸出單元。控制單元負責控制儲存於記憶體的程式流向,以及算術邏輯單元的動作,控制單元由記憶體讀入指令,同時資料經由算術邏輯單元進行適當的運算後,可存回記憶體中,或以一定的格式輸出。輸入與輸出單元則是電腦系統與外界溝通的介面。

電腦產業的進步與半導體、積體電路產業息息相關。由於半導體、晶片製程技術的進步,可大幅減少晶片製作成本與晶片面積,使得高度整合晶片或系統單晶片一躍成為近年來晶片設計的主流趨勢。

系統單晶片

一般而言,系統單晶片是把終端產品的主要功能整合到單一晶片中,因此可看成足以完成一個完整功能的系統。系統單晶片的基本架構包括:
  1. 一或多個可程式化的嵌入式運算引擎—包括微處理器,並在上面搭載即時作業系統、嵌入式系統應用軟體等,通常還包括可提供快速資料運算的數位訊號處理器或特殊功能運算單元。這個嵌入式運算引擎是系統單晶片資料處理及運算的核心。
  2. 嵌入式記憶體—可能是隨機存取記憶體、唯讀記憶體或快閃記憶體等,負責提供系統單晶片儲存資料與程式所需的空間。
  3. 控制邏輯電路或可組態硬體加速器—當運算引擎需要更多的運算需求時,可把部分工作交付給硬體加速器,來增加系統單晶片的效能。
  4. 晶片內匯流排架構—匯流排是用來提供系統單晶片內部間以及與外部實體世界的聯繫溝通管道。
  5. 輸入、輸出介面,測試介面、周邊等。

高度整合的晶片可把系統所需的各種硬體及軟體元件整合到單一晶片上,來執行系統層級應用,除可達到輕、薄、短、小、省、廉、優、惠的目的外,也可降低整體晶片功率的消耗。系統單晶片適合成為手持移動裝置的元件,因為它的低功率特性可延長裝置的操作與待機時間,同時用程式化實現系統功能,也可縮短系統的開發時程。

不過,目前系統單晶片在實作上仍有一些瓶頸,例如類比電路與數位電路的干擾、不同製程技術的整合或異質整合,以及系統層級封裝技術的開發。系統層級封裝是把不容易製作在同一晶片上的電路,透過封裝的技術整合在同一晶片內,或者把不同製程的元件,如感測元件、被動元件等,整合在同一封裝內。如此,同樣可以達到輕薄短小與低耗能的目的。

系統單晶片的最大優點,是把記憶體與邏輯控制電路整合在同一顆晶片內,使得兩者的頻寬從過去的 32 ~ 256 位元大幅提升至 1 ~ 2K 位元,系統效能因此提升 20 ~ 30 倍。系統單晶片的第二個好處是能使晶片數目由多顆減至最少,甚至只要 1 顆,而仍無損於整個系統的功能。系統產品所需的元件數量因而大幅減少,面積及體積也隨之縮小,讓產品可滿足輕薄短小的需求。此外,減少晶片數目也可以提升系統的穩定度。

系統單晶片的成功,造就了隨身攜帶式消費性電子產品的開發,使過去因為產品無法隨人移動的限制得以解除。

嵌入式系統

使用系統單晶片的系統稱作嵌入式微電腦系統,簡稱「嵌入式系統」,其實是傳統電腦架構的延伸。在嵌入式系統的設計裡,有一些與桌上型電腦系統不同之處。桌上型電腦一般稱作通用功能系統,嵌入式系統則屬於功能特定系統,為了因應不同應用所需,嵌入式系統須整合更多運算單元,而以 1 或多顆數位訊號處理器呈現。

在嵌入式系統中,為達到最高效能,它的硬體與軟體設計常常密不可分。嵌入式系統的軟體大部分以韌體(firmware)或加速的嵌入式軟體的形態存在,因此在軟體層面的開發上和桌上型電腦程式不同。為能快速地在各種不同嵌入式平台上發展系統軟體,系統開發廠商通常都會提供高階模擬環境,讓程式開發人員可以在沒有實際硬體平台的情況下,也能發展自己的軟體程式,進行軟、硬體協同設計模擬,最後在硬體平台完成設計與驗證之後再加以整合。

另一方面,若提升電腦架構中對外的輸入與輸出介面功能,讓它不僅只是靠有線傳送「0」或「1」的資料,而是能提供無線通訊功能,如射頻電路及處理類比與數位訊號轉換的混合訊號電路等,則這個嵌入式系統可提供的應用功能會大幅增加。

網路通訊

人類是群居的動物,透過訊息交換,人與人之間可以交流,情感得以抒發。近年來,隨著電腦網路的普及,語音、數據傳輸的無線化打破了時空的束縛,讓溝通更為便利,可交換的訊息更多、更輕鬆,無形中也改變了生活習慣。我們可以在咖啡廳、高鐵、公車上,隨時上網收發有關公司業務的簡報或電子郵件,並利用搜尋引擎找尋相關資料。在這個資訊高速交換的社會中,電腦網路已悄悄地進駐在我們的生活中,與我們密不可分。

簡單地說,電腦網路就是把兩台以上的電腦,利用有線或無線傳輸技術連接在一起,使用者可以分享或使用不同電腦上的資源,而在同一個網路上的電腦更可以共享硬體設備。電腦網路大致上可分為區域網路和廣域網路二大類。

區域網路通常指某一特定區域內,如在辦公室、大樓、住宅區等,位於不同位置的電腦連接而成的電腦網路。連結在區域網路上的電腦,可以互相交換,傳送檔案,共用印表機,甚至共用磁碟機等。但在硬體設備上,區域網路因傳輸距離和連接電腦數量的限制,範圍大致不超過5公里。目前常見的乙太網路和光纖分散式數據介面網路等都屬於這類。

廣域網路則是連結多個區域網路而成的電腦網路,各個區域網路透過路由器對外與其他的區域網路連線,再經由骨幹網路,如台灣學術網路、網際資訊網路、種子網路等和其他網路結合成廣域網路。目前最熱門的網際網路,可視為一個以傳輸控制協定/網際網路協定,使全世界的網路相連接的超大型廣域網路。

3C整合

高度整合的單晶片系統,因具有可程式性與輕薄短小及省電的特性,除可應用於個人電腦、資訊家電、手持式裝置、車用市場、消費性電子產品、工業控制等產品外,另因其高度整合的性質,也可以結合數項功能於一身,並創造出新的應用情境。以智慧型手持裝置為例,除擁有行動電話功能外,更可收看數位電視,並結合影音辨識、全球定位、個人助理等功能於一身,比傳統手機功能更強大,體積更輕薄,操作與待機時間更長,使用更為方便。

以應用為導向,也可整合其他元件技術創造出新的商機。例如結合生物辨識能力(如指紋、瞳孔等)的電子貨幣,或原本只能在醫院使用的健康監控與醫療照護系統,都可以因為高度整合而變得輕薄短小,使得人們可以居家使用或隨身攜帶。

以目前的發展趨勢來看,計算機、通訊、消費性電子的 3C 整合已經不再是遙不可及的夢想,而 3C 整合的趨勢也驅使系統單晶片業者必須更積極地研究開發,未來可以期待次世代個人行動通訊元件的誕生。著名的諾基亞照相手機廣告詞—科技始終來自於人性,闡明了電腦與通訊網路結合將帶來的便利性。

讀者可試想以下的情境:

(1)伴隨著一陣輕鬆悅耳的音樂,你起床盥洗完畢後,查閱次世代個人行動通訊元件的個人數位助理,得知今日預定的行程,並且收看前一日未閱覽的電子郵件,以及今日重大新聞提要等。你可以依預定的行程,或依重要性程度重新安排。這個次世代個人行動通訊元件會與房間內的數位家庭系統連結,按照今日的行程、當天或目的地的天氣等因素,建議適合的服裝穿著。

必要時,還可利用數位家庭的立體影像結合技術,透過資料辨識、資料採集等技術,把選配的服裝與你的影像組合後顯示在衣櫥前的顯示器上。這顯示器平常可當鏡子使用,但必要時透過個人行動通訊元件就可播放影像。這時,你可以挑選搭配自己喜愛的服裝,並在顯示器上預覽。

(2)著裝完畢後,在上班途中,次世代個人行動通訊元件可與車上的行車系統及無線都會網路連線通訊。除了可與家人、朋友、同事等溝通傳達訊息外,也可透過電信公司提供的衛星導航資訊得知各地的車流量,以避開尖峰車潮路段,準時到達目的地。此外,次世代個人行動通訊元件也可與目的地的區域性無線感測網路連線,尋找車位並快速導引至停車位。停車後,次世代個人行動通訊元件會再提醒你預做下一個會議或簡報的準備。

(3)進辦公室後,次世代個人行動通訊元件可透過有線或無線區域網路與辦公室系統連線,即時更新系統資料,同時與遠端的數位家庭系統連結,接收新的娛樂資訊,並依個人喜好點選音樂、電影、球賽等節目。在工作與開會時,次世代個人行動通訊元件會進行背景離線下載操作。此外,也可透過銀行網路,了解個人的投資理財情況。這些下載服務擁有無所不在的網路保證,不會因使用者離開辦公室而中斷,且次世代個人行動通訊元件內含強大的加、解密等保護功能,可保護使用者的個人資訊。

(4)在工作閒暇或下午茶期間,可透過次世代個人行動通訊元件內嵌攝影、拍照等功能,拍攝一段想與遠端親友共同分享的影片,並能即時上傳至自己的部落格,或瀏覽他人的部落格並留言。

(5)透過次世代個人行動通訊元件可預約下班後的行程,例如訂購電影票、預約醫院掛號或到高級餐廳訂位並點餐等。甚至在進入百貨公司、大賣場或圖書館時,透過次世代個人行動通訊元件可選擇是否接收百貨公司的促銷廣告、即時資訊等,包括最新折扣、拍賣品、新的圖書介紹等。在挑選衣物前,可先用次世代個人行動通訊元件的模擬功能,結合自己與百貨公司衣物的影像,並事先預覽以減少試穿時間的浪費。

另外,在購物後,也不用費時排隊等收銀員計費結帳,因為透過無線條碼、無線射頻識別掃描,就可快速統計並透過次世代個人行動通訊元件與銀行連線,在經過身分確認後便完成結帳。回家後,次世代個人行動通訊元件又會與數位家庭系統結合,播放下載的音樂、影片、球賽等。

現在我們的社會正處於資通訊技術持續發燒的時代,無線寬頻網路如 WiMAX 技術日趨成熟,使得無線上網速度更快,涵蓋範圍也更廣。此外,多核心單晶片系統設計技術也會持續發展。展望未來,或許機器人是勾勒未來的主要產品。在不久的將來,屬於個人化的「哆啦A夢」機器人可能會孕育而生,未來的世界會很快實現目前所期待的各種夢想。
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