从最简单的讯号辨识到数千万逻辑闸的MPU运算，种种的逻辑元件或处理单元，一直环绕在当今高度电子数位化的生活周遭当中。而且在各种装置里，因为加上了运算处理的控制，使得功能变得更为强大，生活上因而得到便利的帮助，也解决了许多问题。例如，提款转帐的金融卡、微电脑控制的家电使用、搭乘公车捷运用的储值票卡、​​数位行动电话手机、游戏机、计算机、电子表，乃至于PDA、笔记型电脑、桌上型PC ，还有其它种种周边配合装置、网路连结处理等，这些看起来让人更聪明的东西，却也只是现代人生活、生存的基本。

逻辑观念或应用也是最根本的道理，不合乎逻辑的东西也无法建立或处理任何事物，因此一个绿豆就已经预藏长成豆芽的逻辑功能，一株瓜苗也已经蕴含结出瓜果的运作程序，所谓「种瓜得瓜，种豆得豆。」就是这么的简单，这么的自然，也是这么的笃定。我们使用生活周遭的逻辑装置，也要抱持这样的信念，才能应付越来越复杂与多元化的电子系统，千万不要心存侥幸、投机取巧，或装神弄鬼，否则便会作茧自缚，聪明反被聪明误了。

逻辑运算的整体观

虚拟的逻辑运算都是以经过设计的电路或程式来表现，这跟大自然的因果关系一样，在一定的理则下，种什么因就得什么果。现有单一电子装置当中，最简单的逻辑莫过于一个电源开关，最复杂的应是所谓「超级电脑」了。但是不管电子系统装置大小简繁，都会老实明确的反应它的逻辑、它的判断，甚至是它的缺陷。

我们或多或少都有一个经验，在寻找系统中到底那里出错的过程当中（Debug），耗尽不少时间精神之后，才发现原来只是某个开关忘了打开，事后想一想还真是啼笑皆非。所以，逻辑运算一定要整体观，才不会受到非逻辑的干扰与想像。 （图一）

《图一 逻辑运算整体观示意图》

从单一元件来看

一般逻辑元件都有一定的设计应用目标，如CPU、MCU、DSP、MPU，或其它ASIC、ASSP等等应用，它们做辨识、运算、控制的工作，有些可能是主要的逻辑处理，特别是用来指挥整个系统的运作，也有只是经过辨识处理后就把讯号传送出去，其它一概不管了。

这些逻辑元件所组成的系统产品，也有一定的应用目标或功能，站在巨观的角度来看，它也是一个比较大型的独立逻辑元件而已。当然系统产品里面可能还结合了记忆装置、Sensor或其它电源控制等元件（大逻辑元件的内部何尝不是如此），不过我们应以它最后的应用功能来看，例如PC、PDA、IC卡等。

独立的系统产品，透过乙太介面连结成区域网路，便成为一个更大的系统，再透过ADSL等连上Internet，又是更大的宽域网路系统。从更巨观一点来看，把网路当做一般元件内部的电路，它还是一颗超大型的独立元件而已。这些网路系统的应用可能多了些，也复杂了些，用来做逻辑运算则占了大部份，如一般Client-Server的处理架构；也有记忆储存功能的，如SAN，还有遥控感测的，如Web Camera、控制网路等。

从系统处理来看

所谓的系统已经蕴含逻辑架构的意思了，只是系统必须从处理的程序来看，例如可接受什么样的指令（Input），中间经过那些处理程序或计算（Process），然后再产生什么样的结果（Output）。像一般可执行不同应用软体的电脑，就是最典型的逻辑系统；种什么因得什么果，在电脑里Garbage In、Garbage Out（GIGO），这是再自然不过的理则。

一般的电子逻辑元件，虽然用的是讯号接脚（pin），却也是具体而微的系统，其稳定快速的讯号必须靠记忆体等来传入或传出，而不是用键盘萤幕罢了。所以，广泛来讲电子元件都是经过程序设定的系统运作（一个手动操作的开关也是），当然也都是逻辑运算的一环。

至于通讯网路各个点、线、面所组成的架构，则是更大型的系统处理。有时候结合很多点来输入讯息，有时候从一个点就可以散播讯息到很多线、乃至很多面；至于处理运算部份，则有的是集中式处理，有是分散式处理，也有兼而有之的处理。

从通讯架构来看

订立通讯架构，就是为了规定讯号传输的理则，像Internet就是一种广播式的非中心化通讯架构，其位址讯号会透过Router来找到可通行到达的路径，GSM蜂巢式架构则必须透过特定的基地台来传递讯号。种种通讯标准与协定，其实就是一个极为复杂的逻辑程序。

在每个电子元件的内部，也都要设计通讯架构的逻辑电路，以便讯号能正确的传输到相对的逻辑闸或次元件当中。在元件与元件之间，固然有主动与被动之分，在复杂的单晶片系统内部，也要透过汇流排（On Chip Bus）的设计来分配讯号、执行协定。

电脑系统的运作也必须透过通讯介面来完成，从开机时启动的BIOS，接着CPU、作业系统再透过各种介面来分散与整合各种处理装置，不管是主机内部或外部的晶片、扩充卡、存取装置与周边设备，都是由各种不同的通讯架构所组合而成，很多复杂的连线还必须利用特定应用标准产品（ASSP）来做运算处理呢。

各类元件的系统整合

从逻辑的观点来看，所有的元件都有它的系统运作规则，不只是逻辑元件才可以称之为「系统」，其它元件也都各自成一系统。既然称之为系统（或称单元），那么通通会影响整个大系统的运作，也会共同达成全体所推衍处理的结果。因此，我们也应该从逻辑处理角度来观察或发展不同类型的电子元件。例如某个感测元件的辨识与定义之间发生误差，那么后面的判断处理就可能差之毫厘失之千里了。 （图二）

《图二 以组件为系统单元的整合示意图》

逻辑单元

逻辑元件本来就是在做运算处理与判断控制用的，所有的数位讯号都要经过运算处理才能产生意义。但是一个大的系统中，除了CPU外，通常还要其它处理器来分工合作，否则CPU的负担就会太大，而且运作起来也比较麻烦。因为针对不同的处理目标，就要用更合适的演算法来因应，这样才能使系统更精简快速，例如PC中的南北桥晶片就像CPU的左右手，而音效晶片、绘图晶片或网路晶片也都负担不同的特殊任务。

但是要说明的是，在逻辑元件之内，乃至于逻辑元件之间的整合互动中，都或多或少要有记忆体与感测元件的搭配使用，例如CPU内部的暂存器就是记忆的功能，DSP内部可能嵌入记忆体，也可能内含类比\数位转换器（ADC）的运作，而​​逻辑元件之间的讯号转换或记忆暂存也都是必要的应用。

记忆单元

记忆体表面上看起来与逻辑元件的功能不同，但本身仍是一种系统化的逻辑闸设计，例如NAND或NOR逻辑型式的记忆体。另外，一般在做记忆存取处理时，仍要靠定址的顺序来应用，基本上也有「先进先出」或「后进先出」的不同。因此复杂的记忆体中还会加上特别的辨识处理或其它感应装置，这在记忆体模组中的应用更为明显。

其实运作中的记忆体，除了搭载一般资料外，很多都是待处理的程式作业，这不正是系统整体作业的一环？然而在整个配置的应用上，不同型态的记忆体也都是各有所司，Register、Cache、DRAM、SRAM或Flash，乃至于储存装置，都必须互相整合成为一个环环相扣的记忆处理系统。

感测单元

从感应一个通电/断电的小小开关就是一种感测元件了，一直到相当精密的影像感测器、微机电惯性感测器、无线电收发感测器（RF）都是，基本上这些都偏向类比技术的处理。这些类比技术看似容易受到干扰而不易控制，有时候也有一些模糊不逻辑的地方，但那只是技术或定义上的误差，并不表示它欠缺明确的系统化运作，例如一个手动开关的逻辑很清楚，按on就通电、按off就断电，但如果受到干扰（人为或自然），也可能因为接触不良而产生错误，这跟一般的逻辑错误与必要的容错设计差别不大。

也就是说，单一的感测元件本身就是一个辨识控制系统，如果用直觉性的传达来形容也无不可。所以，感测元件是一种立即性的处理工作，很多精密且动态的立即反应也必须要有复杂的逻辑设计，以及数位运算处理的支援，DSP就是最普遍的背后元件，越是精密的感​​测，相对用的DSP也就要越高速，反之则是越简单的反射动作，并不一定有处理器的支援。感测元件在一个大系统中的应用可以说非常广泛而多样，彼此之间的互通、补强与整合也非常重要。

SoC整合

一个可独立运作的系统，其实或多或少都包括逻辑元件、记忆元件与感测元件在其中。过去都是把上述三种类型的元件分布在PCB中整合，在晶圆密度与制程技术提高之后，把一个系统中需要的元件或大部份的元件都放在一个晶片上，便成为可能且必要的一种技术。在实务上，嵌入式的核心处理器、记忆体或类比元件，乃至于作业系统，已经是很普遍的应用。

SoC整合之后，有可能是偏向逻辑运算的，或是偏向资料记忆的，也有可能是偏向通讯感测的系统，这与上面所说大型逻辑系统、大型记忆系统与大型感测系统的道理差不多，唯一较不同的是未来的SoC会更独立完整，整颗SoC就某方面来说也就是一个虚拟运算处理系统罢了。

多核、多元、多格与多中心的应用策略

由于晶圆制程的精密进步，单一晶片里面便可以嵌入多个核心处理器，这就是所谓的多核（Multi-Core）。至于多元的型式较复杂，有同一主机板上多CPU的SMP（Symmetric Multi-Processing）架构，或多种处理器的整合也是一种多元，还有多个主机串连的丛集（Cluster）架构也是。多格则指的是网格运算（Grid Computing）的架构，这是透过网路结合更多处理器与记忆体的分散式运算方式。多中心是依应用目标来定义主要的中心处理单元，例如游戏机应以绘图处理器为中心，并非以CPU为中心，这样才能做正确的创新发展。

应付更多样的运算需求

在这个数位化快速而全面性发展的时代，种种的数位运算工作也多到难以想像，没有做好系统化规划，各种处理器也只能各自为政，对于使用者而言则是杂乱、重复、浪费，甚至是错失误导。因此适应不同功能作用的处理器都可以发展，例如多核的CPU就可以用来即时处理多媒体讯息，GPU也应该自行发展，能够直觉性运算处理的就尽量独立去做，甚至软体、周边硬体也要同时考量明白。

每个独立的系统产品，如PDA、伺服主机、NB等，都会产生自己的运算功能与目标，也都要有向外连结的能力与需要，接着再整合这些多核、多元、多格与多中心的运算资源，这样大材就不必小用，小材也不必大用，而且天生我材必有用，什么事物要用什么样的运算平台就很清楚了。

根据市场型态发展逻辑运算平台

按照目前的市场生态，可以发现有四种不同的运算中心来做为系统整合的依据：一是个人伺服系统，可以应用的是Desktop PC或NB为伺服中心，其它个人用的PDA或手机为附带与行动式的处理机制，业者可从中探讨有那些可发展的功能技术或产品。二是家庭伺服系统，可以应用PC Server或特制的媒体平台为伺服中心，个人电脑、行动装置或家电器具为周边的处理机制。三是办公伺服系统，可应用大型主机为伺服中心，将各个工作站连结成一个区域网路，并分享各种资源，强化办公室的机能与效率，外围再连结行动装置来加以利用。四是网际网路伺服系统，这是开放性的整合所有系统架构，透过ISP连结各种资源、沟通各种协定，可以发展应用的产品就更多了。

结语

逻辑运算本来就是在处理复杂的工作，电子数位化的处理也是为了加快速度，因此我们更应该以整体简单的运作方式来分析对待，才不失实事求是、一丝不苟的科学理性精神，即使经验丰富的工程师，也千万别陷在片面逻辑的偏见里，才能解决真正的问题。

延 伸 阅 读

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