A-level 计算机/WJEC (Eduqas)/组件 2/硬件和通信
CPU（中央处理器）执行计算机中发生的所有指令。它也被称为处理器或微处理器（单个集成电路）。处理器的强大意味着它是“计算机的大脑”，它执行所有算术和逻辑运算，以便可以执行任何指令。通过改进其结构（其架构），在同一芯片上放置更多晶体管并提高其指令的效率，可以使 CPU 更有效率。
冯·诺依曼体系结构是一种计算机体系结构，由数学家和物理学家约翰·冯·诺依曼构建。他说，CPU 有 3 个部分：算术逻辑单元、寄存器和控制单元。
ALU 负责任何算术计算，例如浮点乘法和整数除法以及逻辑计算，例如大于和小于之类的比较测试。ALU 充当计算机输入和输出的管道。
控制单元 (CU) 管理机器代码的执行，这是通过通过控制总线（参见图）向计算机的其余部分发送控制信号来完成的。CU 根据 CPU 的内部时钟同步指令的执行。
寄存器是用于当前正在执行的指令所需的任何存储的小块内存。这是必要的，因为指令只能通过首先将它们加载到其相关的寄存器中来执行。寄存器有两种类型：通用寄存器和专用寄存器。通用寄存器可用于开发人员存储他们想要的任何值，而专用寄存器具有特定的用途。例如，累加器 (ACC) 位于 ALU 中，并存储任何计算的结果。值保存在 ACC 中，并用于需要完成的下一个计算，就像传统的计算器一样。其他专用寄存器用于 FDE 周期
- PC（程序计数器）：用于存储要执行的下一条指令。
- MAR（内存地址寄存器）：用于存储要执行的下一条指令所在的内存地址。
- MDR（内存数据寄存器）：用于存储要执行的内存地址处的数据。
- CIR（当前指令寄存器）：存储当前正在执行的指令的数据。
CPU 比RAM（随机存取存储器）快得多。指令的执行速度将快于它们的获取速度，从而导致处理器有时不执行任何指令。这被称为冯·诺依曼瓶颈。
取指、译码、执行 (FDE) 周期是从主内存加载指令到寄存器并最终执行该指令的过程。
- 程序计数器的内容被读取并加载到内存地址寄存器中。
- 然后程序计数器加 1，指向要执行的下一条指令。
- 读取 MAR 中的指令，并将该内存地址处的数据复制到内存数据寄存器中。
- MDR 的内容被复制到当前指令寄存器中，在那里执行发生。
跳转指令会中断流水线，因为这意味着程序将以非顺序方式执行，因为需要运行不同的指令，而不是逐个执行它们。
由于 CPU 和 RAM 之间速度不匹配，因此使用了流水线过程。CPU 比 RAM 快得多，因此它执行指令的速度快于从 RAM 加载下一条指令的速度。因此，它什么也不做，我们称之为“空闲”。为了解决这个问题，CPU 会在执行时追溯地获取下一条指令，以避免此问题。由于在 FDE 周期中使用了专用寄存器，因此可以进行流水线过程。
缓存是 CPU 的一种存储形式。由于从 RAM 中获取数据要慢得多，因此使用缓存内存，它位于 CPU 本地，容量小，但访问速度很快。由于缓存内存比 CPU 快得多，因此它非常昂贵。但缓存内存是有益的，因为它通过其局部性解决了冯·诺依曼瓶颈问题 - 本质上充当“主内存和 CPU 之间的中间人”。缓存内存存储所有经常访问的数据，这意味着由于缓存与 CPU 的局部性和非常快的速度，可以快速访问这些数据。
缓存命中与未命中
[edit | edit source]CPU 每次需要数据时，都会检查缓存内存以查看数据是否可用。如果需要的数据存在于缓存中，则将访问它。这被称为“缓存命中”。但如果 CPU 需要的数据不在缓存内存中，则需要从主内存（RAM）中获取数据。这被称为“缓存未命中”。
80/20 原则
[edit | edit source]80/20 原则也适用于计算，在程序执行方面。程序执行所需的时间称为执行时间。程序的大部分执行时间只花费在利用 20% 的代码上。其余 80% 的时间主要花在运行重复代码（如循环）上。这意味着，如果程序需要运行的 20% 代码位于缓存内存中，则不需要访问主内存，并且由于缓存和 CPU 的速度优势，程序将运行得更快。
缓存级别
[edit | edit source]缓存位于不同的级别。这些级别代表缓存与 CPU 的距离，即其局部性。第一级通常嵌入到 CPU 中，速度非常快，但容量很小。第二级容量略大，但运行速度稍慢，通常位于 CPU 上，但有时也位于 CPU 附近的一个单独芯片上。第三级用于提高第一级和第二级缓存的性能。
并行处理
[edit | edit source]如今，我们已经达到了 CPU 设计优化所能达到的物理极限。为了使 CPU 更快，我们现在有了多核处理器。由于 AMD 的 Ryzen 芯片，价格更实惠的 CPU 出现，如今拥有六核系统并不少见。在并行处理中，多个处理单元协同处理一个任务，共享所需的处理能力负载。为此，单个任务被拆分成更小的“块”，称为线程，这些线程被分配给每个处理单元，这些处理单元立即执行线程。这两个处理单元需要相互通信，以确保它们始终拥有最新的数据来处理。
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 更快的执行，因为更多指令在更短的时间内运行。 | 编写利用多核系统的程序要困难得多。 |
| 每个任务都共享，因此没有一个处理单元比其他处理单元负载更重。 | 数据必须是最新的，处理单元需要根据其他处理单元的操作更改其计算。 |
| 无法拆分顺序任务。 | |
| 并发意味着要处理更多软件错误。 |
输入设备
[edit | edit source]输入设备通过用户交互将信息添加到系统中。
光学字符识别
[edit | edit source]光学字符识别 (OCR) 是一种后处理步骤，使用某种扫描仪将印刷文本文档转换回数字文档。这是通过一个包含所有可能字符的内部数据库（A、B、C、D、*、!、/、1、2、3、4 等）完成的，这些数据库与接收到的任何输入（即印刷文档上的字符）进行比较。
光学标记识别
[edit | edit source]光学标记识别 (OMR) 基于预定义的表格，用户可以在表格中标记选项。看到的第一个选项被记录为用户选择的选项，这在选择题考试或非常古老的纸质登记簿中很常见。
磁性墨水（字符）识别
[edit | edit source]磁性墨水（字符）识别 (MIR/MICR) 是一种输入形式，使用含有氧化铁的特殊墨水。这可以防止任何人篡改文件，因为普通墨水不含这种化学物质。如今，这种方法的唯一用例是银行支票，这是因为阅读器成本很高。
触摸屏
[edit | edit source]如今用于二合一笔记本电脑/平板电脑以及普通手机和平板电脑。它们基于坐标系统，并在用户用手指触摸的任何网格位置记录点击，并将 x 和 y 坐标发送回系统。
电容式
[edit | edit source]
电容式触摸屏是当今最常用的，位于所有手机以及几乎所有昂贵的科技设备中。这些触摸屏利用了人类在触摸物体时可以导电的原理。因此，无论何时有人按下屏幕，即使是在多个地方，都会记录电压。这有一个缺点，即无法使用触控笔或手套，您需要这些产品的专业版本。
电阻式
[edit | edit source]电阻式触摸屏可以在旧设备或更便宜的科技设备（如家庭气象站）中找到。它们由两层薄透明片组成，当这些薄片接触在一起时，就会记录点击。这些类型的触摸屏必须施加相当大的压力才能记录点击。
语音式
[edit | edit source]语音输入
[edit | edit source]利用一组系统可以识别出的预定义命令。例如，“给我最好的朋友 Linus 打电话”。
词汇听写
[edit | edit source]这些输入系统可以识别出人们说的一系列词语，并且可以通过专业词典（如医学词典）进行扩展。如今，它们通常用于通过按键盘上的麦克风按钮来听写文本。
声纹识别
[edit | edit source]此方法记录某个人的声纹，并将其与另一个预先录制好的声纹进行比较。如果匹配，则可以授予某人访问系统的权限，例如银行或高度安全许可室。
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 比打字更快。 | 背景噪音。 |
| 无需学习打字。 | 由于人们有口音，会被误解。 |
| 减少患上RSI（重复性劳损）的风险。 | 有些人有口吃或身体不适，因此可能会被误解。 |
| 减少打字错误。 | 无法保护数据隐私。 |
| 需要更少的物理空间。 | 例如“two”和“too”的异形词，以及同音词会被误解。 |
| 残疾人士可能更容易使用。 | |
| 可以在车内使用手机“免提”。 | |
| 有些人觉得它比打字“更自然”。 |
用于存储应用程序、文档和操作系统文件。
硬盘 (HDD) 是一种容量相对较大、价格相对便宜的存储设备。硬盘在性价比方面取得了良好的平衡，但其在家庭台式机和笔记本电脑中的使用率正在下降。数据存储在磁盘盘片上，并使用执行机构臂进行写入和读取。磁盘通电后旋转，这使得执行机构臂能够访问整个磁盘盘片，因为它只能上下移动。磁盘盘片旋转的速度以 RPM (每分钟转数) 衡量。执行机构臂在磁盘上感应磁通量，磁盘盘片上的氧化物保持此状态，即 1 或 0 的二进制数据。
基于 NAND 闪存的固态硬盘 (SSD) 现在已成为家庭台式机和笔记本电脑的常用设备。与硬盘相比，固态硬盘的性价比更高，因为它们的长期运行成本更低，速度非常快，但目前高容量的固态硬盘价格相对昂贵。由于固态硬盘没有移动的执行机构臂，因此它们既防震又防摔，而且体积小巧，便于携带。
存储卡和 SD (安全数字) 卡使用闪存。因此，它们与固态硬盘非常相似。
光驱，例如 DVD (数字视频光盘) 和 BD (蓝光光盘)，通过使用激光在磁盘上刻录微小的凹痕来工作。这些凹痕和没有凹痕的地方形成凹坑和凸起，它们代表着 0 和 1 的二进制数据。为了读取数据，激光被指向磁盘并反射回来。这会导致干涉，这意味着凹坑/凸起可以被读取。DVD ROM 的容量更大，有两层，凹坑/凸起之间的距离更近，从而导致更高的容量。蓝光光盘是目前这些光盘中唯一常见的类型，用于存储高清 4K 电影。它们使用蓝色的波长，波长更小，这意味着由于更多凹坑/凸起能够容纳在磁盘上，因此可以实现更高的容量。
碎片整理是指数据分散在整个存储介质上。这种情况发生在传统的硬盘上，因为许多读写操作意味着数据存储在磁盘上的许多不同区域。这意味着数据访问速度要慢得多，因为执行机构臂必须移动比必要更多的距离来访问磁盘不同部分的数据，**文件以非顺序方式存储**。为了解决这个问题，我们可以使用一种称为碎片整理的过程。这是一款软件，它会分析硬盘上的所有文件，并将它们全部移动到彼此靠近的位置，存储在同一轨道上。**这会加快访问速度，因为数据现在以顺序方式存储**。
无法对固态硬盘进行碎片整理，并且默认情况下该功能被禁用。但是，当您尝试对固态硬盘进行碎片整理时，会执行一个名为 TRIM 的命令。这会稍微提高写入操作，但只是微不足道地提高。对固态硬盘进行碎片整理不是一个好主意，因为 NAND 闪存每个驱动器区域只有大约 5,000 次读写循环。好处非常小，而操作成本超过了写入速度微不足道的提升。
网络是相互连接的计算机集合。网络可以通过两种方式建立：通过无线链接（使用 WiFi）和/或有线链接（使用以太网线）。由于网络上有许多计算机，我们使用协议（一组允许两种设备相互通信的既定规则），允许多个设备相互通信。
局域网 (LAN) 的规模较小，因为它占用的地理区域较小，例如您的家庭网络、企业网络或大学网络。由于它们规模较小，因此它们本质上更安全，因为连接到它们上的客户端数量较少。
广域网 (WAN) 的规模较大，它占用的地理区域较大，例如互联网。广域网本质上是不安全的，因为您会将自己暴露给网络上的任何其他客户端，而这是一个问题，因为会有非常多的人。
客户端-服务器结构为连接到它的任何人提供服务。良好的例子是 Web 服务器和文件存储服务器，在这两种情况下，文件都会提供给连接到服务器的任何客户端。客户端从服务器请求资源，服务器响应。该名称区分了客户端和服务器，因为服务器在集中式点拥有处理能力。
P2P（点对点）网络是指所有客户端具有相同状态的网络。每个客户端被称为“对等节点”。这种结构应用于种子下载，文件在不同计算机之间共享。新的对等节点将从其他对等节点（接收）中下载文件，当它们获得所有文件后，它们将向网络中的其他对等节点（发送）播种，直到播种的对等节点离开网络（关闭应用程序或删除种子）。
分布式处理是指计算机共同完成一个复杂的任务，例如在矿池中挖矿，计算结果将报告给负责整合和协调结果的对等节点，然后比特币将分配给完成工作的计算机。
一组双方都同意的规则，允许两个设备相互通信。每个人都必须使用相同的协议集，否则响应将无法理解。
HTTP（超文本传输协议）：允许多媒体网页通过网络传输，以原始作者期望的方式呈现。
FTP（文件传输协议）：从一台计算机下载/上传文件到另一台计算机。
SMTP（简单邮件传输协议）：在两个邮件服务器之间发送电子邮件的标准。
IMAP（互联网邮件访问协议）：允许从邮件服务器传输电子邮件到设备。
DHCP（动态主机配置协议）：动态地将 IP 地址分配给客户端，并将任何不再需要的地址返回到池中。
TCP（传输控制协议）：通过网络发送数据包的方式。包括以校验和形式的错误检查机制。
UDP（用户数据报协议）：通过网络发送数据报，没有错误检查方法。
握手：两个设备建立通信准备就绪的过程。这也是达成协议集的过程。
需要某些硬件才能连接到网络，才能将网络连接到互联网或其他局域网。
网卡（网络接口卡）是连接到网络的必要组件，负责将数据包发送到以太网电缆。
无线网卡（无线接口卡）允许你连接到无线网络。有些主板内置。
集线器允许许多设备相互连接。每个数据包都会广播到其他所有计算机，这显然是一个安全问题，因为任何客户端都可以窃听。
交换机与集线器相同，但有一个包含所有连接计算机列表的路由表。这是通过 MAC（媒体访问控制）地址完成的，每个网络硬件都是唯一的。
路由器将数据包路由到正确的目的地。它们根据 IP（互联网协议）地址建立路由表，但与交换机不同，它们将局域网连接到另一个局域网/广域网，例如互联网。路由器比交换机功能更强大，因为路由器配备了强大的 CPU，可以连接许多设备。