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硬件

IGCSE 计算机科学 · 第 3 主题

训练
讲义 词汇表
3.1

计算机体系结构

大纲
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 (a) Understand the role of the central processing unit (CPU) in a computer • The CPU processes instructions and data that are input into the computer so that the result can be output
(b) Understand what is meant by a microprocessor • A microprocessor is a type of integrated circuit on a single chip
2 (a) Understand the purpose of the components in a CPU, in a computer that has a Von Neumann architecture • Including: – units: arithmetic logic unit (ALU) and control unit (CU) – registers: program counter (PC), memory address register (MAR), memory data register (MDR), current instruction register (CIR) and accumulator (ACC) – buses: address bus, data bus and control bus
(b) Describe the process of the fetch–decode–execute (FDE) cycle, including the role of each component in the process • How instructions and data are fetched from random access memory (RAM) into the CPU, how they are processed using each component and how they are then executed • Storing data and addresses into specific registers • Using buses to transmit data, addresses and signals • Using units to fetch, decode and execute data and instructions
3 Understand what is meant by a core, cache and clock in a CPU and explain how they can affect the performance of a CPU • The number of cores, size of the cache and speed of the clock can affect the performance of a CPU
4 Understand the purpose and use of an instruction set for a CPU • An instruction set is a list of all the commands that can be processed by a CPU, and the commands are machine code
5 Describe the purpose and characteristics of an embedded system and identify devices in which they are commonly used • An embedded system is used to perform a dedicated functions. For example in, domestic appliances, cars, security systems, lighting systems or vending machines. This is different to a general purpose computer that is used to perform many different functions. For example in, a personal computer (PC) or a laptop

来源:剑桥国际大纲

取指-译码-执行周期

中央处理器(central processing unit,CPU)是计算机处理数据并执行指令(instructions)的部分。它通过重复一个周期、每秒数百万次来运行程序。

一个方形计算机芯片,带一个闪亮的金属顶和印在它上面的型号名
一个中央处理器(CPU):处理数据并运行指令的芯片

Parts of the CPU

部分 它做什么
算术逻辑单元(arithmetic logic unit,ALU) 做计算(加、减)和逻辑操作(比较)
控制单元(control unit,CU) 发送控制信号以管理所有部分并告诉它们做什么
寄存器(registers) 非常小、非常快的存储,一次容纳一份数据

各部分由总线(buses,携带信息的成组导线)连接:

  • 地址总线(address bus)携带内存地址(一个方向);
  • 数据总线(data bus)携带数据和指令(两个方向);
  • 控制总线(control bus)携带控制信号。
一个 CPU 的框图,含有控制单元、ALU 和寄存器,由地址、数据和控制总线连到主存
CPU 容纳控制单元、ALU 和寄存器;三条总线把它连到主存

Special registers

这些寄存器在取指-执行周期期间被使用。

寄存器 目的
程序计数器(program counter,PC) 容纳下一条指令的地址
内存地址寄存器(memory address register,MAR) 容纳要读取或写入的地址
内存数据寄存器(memory data register,MDR) 容纳刚取的数据或指令
当前指令寄存器(current instruction register,CIR) 容纳现在正被执行的指令
累加器(accumulator,ACC) 容纳 ALU 计算的结果

The fetch–execute cycle

取指执行周期(fetch–execute cycle)有三个阶段,一遍又一遍地重复:

  1. 取指——指令从内存(memory)被复制进 CPU(用 PC、MAR 和 MDR)。PC 随即增加 1。
  2. 译码——控制单元算出指令的意思。
  3. 执行——指令被执行(ALU 可能做一个计算,结果去累加器)。
取指-译码-执行周期画成三个连接成一个循环的框
处理器重复三个阶段:取指令、译码它,然后执行它

Cache memory

高速缓存(cache)是 CPU 内部或靠近它的少量非常快的内存。它存储 CPU 常用的数据和指令。CPU 从高速缓存读取比从主存快得多,所以计算机运行得更快。

What affects CPU performance

特性 效果
核心(cores)的数目 每个核心能自己运行指令,所以更多的核心能同时做更多的工作
高速缓存大小 一个更大的高速缓存为 CPU 容纳更多准备好的数据,所以它等得更少
时钟速度(clock speed) 每秒的周期数;一个更高的时钟速度每秒运行更多的指令

例题。 两台电脑除以下不同外完全相同:A 是 3.0 GHz 单核 CPU,带 2 MB 缓存;B 是 2.4 GHz 四核 CPU,带 8 MB 缓存。哪一台更适合视频剪辑?为什么?视频剪辑可以拆成许多能同时进行的任务,所以 B 的四个核心可以并行处理多路数据,而 A 一次只能处理一路。B 更大的缓存也把更多常用数据留在离 CPU 很近的地方,所以它需要从 RAM 取数的次数更少。尽管 A 的主频更高,B 仍是更好的选择。不要只凭主频作答:要把核心数、缓存和主频放在一起权衡,并把每一项都联系到具体要做的工作。

Embedded systems

一个嵌入式系统(embedded system)是建在一个更大的设备内部做一件固定工作的一台小计算机。它专门用于那个任务,通常小而低成本,而且没有通用操作系统。例子:一台洗衣机、一个微波炉、一个机顶盒。

探索

The fetch-execute cycle

Tap round the loop the CPU repeats billions of times a second — fetch the instruction, decode what it means, execute it, then do it all again.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
central processing unit 中央处理器 zhōng yāng chǔ lǐ qì
instructions 指令 zhǐ lìng
arithmetic logic unit 算术逻辑单元 suàn shù luó jí dān yuán
control unit 控制单元 kòng zhì dān yuán
registers 寄存器 jì cún qì
buses 总线 zǒng xiàn
address bus 地址总线 dì zhǐ zǒng xiàn
data bus 数据总线 shù jù zǒng xiàn
control bus 控制总线 kòng zhì zǒng xiàn
program counter 程序计数器 chéng xù jì shù qì
memory address register 内存地址寄存器 nèi cún dì zhǐ jì cún qì
memory data register 内存数据寄存器 nèi cún shù jù jì cún qì
current instruction register 当前指令寄存器 dāng qián zhǐ lìng jì cún qì
accumulator 累加器 lěi jiā qì
fetch–execute cycle 取指执行周期 qǔ zhǐ zhí xíng zhōu qī
Cache 高速缓存 gāo sù huǎn cún
cores 核心 hé xīn
clock speed 时钟速度 shí zhōng sù dù
embedded system 嵌入式系统 qiàn rù shì xì tǒng
memory 内存 nèi cún
3.2

输入与输出设备

大纲
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 Understand what is meant by an input device and why it is required • Including: – barcode scanner – digital camera – keyboard – microphone – optical mouse – QR code scanner – touch screen (resistive, capacitive and infra-red) – two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) scanners
2 Understand what is meant by an output device and why it is required • Including: – actuator – digital light processing (DLP) projector – inkjet printer – laser printer – light emitting diode (LED) screen – liquid crystal display (LCD) projector – liquid crystal display (LCD) screen – speaker – 3D printer
3 (a) Understand what is meant by a sensor and the purposes of sensors • Limited to: – acoustic – accelerometer – flow – gas – humidity – infra-red – level – light – magnetic field – moisture – pH – pressure – proximity – temperature
(b) Identify the type of data captured by each sensor and understand when each sensor would be used, including selecting the most suitable sensor for a given context

来源:剑桥国际大纲

一个输入设备把数据发送计算机。

设备 它如何工作
条形码扫描器(barcode scanner) 向条照光并读取反射回来的图案
二维码扫描器(QR code scanner) 一个摄像头读取黑白块的一个方形图案
键盘 按一个键发送那个字符的一个代码
光电鼠标(optical mouse) 一个光和一个传感器跟踪跨一个表面的移动
麦克风 把声波变成一个电信号
数码相机 一个镜头把光聚焦到一个记录像素的传感器上
传感器(sensors) 测量一个物理量(如温度或光)并把它作为数据发送
触摸屏(touch screen) 检测你的手指触碰屏幕的地方
一个黑色计算机键盘的特写,带 QWERTY 字母键
一个键盘:每次按键发送那个字符的一个代码
桌上一个白色光电鼠标,下面光电灯发光
一个光电鼠标:一个光和一个传感器在桌上跟踪它的移动
一个扁平的白色盒形扫描器,带一个抬起来以扫描一页的关闭的盖子
一个平板扫描器:它跨一页照光以把它复制进计算机
一个手持扫描器在一个支架里,由一根 USB 电缆连到一台计算机
一个条形码扫描器读取条的图案并把它发送给计算机
一个小的红色数码相机的正面,显示它的镜头和闪光灯
一个数码相机:一个镜头把光聚焦到一个记录像素的传感器上
一个手持麦克风,带一个圆形的金属网头
一个麦克风把声波变成一个电信号
一个小的蓝黑色温度传感器,在一个带三个针脚的微小电路板上
一个传感器测量一个物理量(这里是温度)并把它作为数据发送

一个触摸屏能以三种方式工作:

  • 电阻式(resistive)——两层在你触碰的地方被压在一起;
  • 电容式(capacitive)——它感知你手指的微小电荷;
  • 红外线(infrared)——你的手指打破一个光束的网格。
一个手指触碰一部智能手机的屏幕以滚动一页
一个触摸屏感知你的手指触碰它的地方
探索

Device and storage lab

Classify computing examples by what job they do in a system.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
barcode scanner 条形码扫描器 tiáo xíng mǎ sǎo miáo qì
QR code scanner 二维码扫描器 èr wéi mǎ sǎo miáo qì
sensors 传感器 chuán gǎn qì
touch screen 触摸屏 chù mō píng
resistive 电阻式 diàn zǔ shì
capacitive 电容式 diàn róng shì
infrared 红外线 hóng wài xiàn
optical mouse 光电鼠标 guāng diàn shǔ biāo
3.2

输出设备

一个输出设备把数据从计算机发送到用户。

设备 它如何工作
执行器(actuator) 把一个电信号变成运动(例如一个马达或阀门)
LCD/LED 屏幕 用一个微小彩色点的网格显示图像
投影仪(projector) 把一个放大的图像照到一面墙或屏幕上
喷墨打印机(inkjet printer) 向纸喷微小的墨滴
激光打印机(laser printer) 用一个激光和被热固定到纸上的粉末(碳粉)
3D 打印机 一层一层地构建一个固体物体
扬声器(speaker) 把一个电信号变成声音
一个桌面喷墨打印机,顶部的纸盘打开
一个喷墨打印机向纸喷微小的墨滴
一个白灰色桌面激光打印机,它的纸盘折出来
一个激光打印机用一个激光和被热固定到纸上的粉末(碳粉)
一个 3D 打印机:一个黑色金属框架,握着一个扁平的打印床和一个移动的打印头
一个 3D 打印机一层一层地构建一个固体物体
一个圆形支架上的宽的平屏计算机显示器
一个 LCD/LED 显示器用一个微小彩色点的网格显示图像
桌上一对小的黑色计算机扬声器
一个扬声器把一个电信号变成声音
一对蓝色头戴式耳机
耳机把一个电信号变成给一个听者的声音
不同大小的几个电动马达,旁边一个 9 伏电池作为比例
一个执行器如一个马达把一个电信号变成运动
词汇表 训练
英文 中文 拼音
actuator 执行器 zhí xíng qì
projector 投影仪 tóu yǐng yí
inkjet printer 喷墨打印机 pēn mò dǎ yìn jī
laser printer 激光打印机 jī guāng dǎ yìn jī
speaker 扬声器 yáng shēng qì
3.3

数据存储

大纲
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 Understand what is meant by primary storage • Primary storage is directly accessed by the CPU • Including the role of: – random access memory (RAM) – read only memory (ROM) • Including why a computer needs both RAM and ROM, and the difference between them
2 Understand what is meant by secondary storage • Secondary storage is not directly accessed by the CPU and is necessary for more permanent storage of data
3 Describe the operation of magnetic, optical and solid-state (flash memory) storage and give examples of each • Magnetic storage uses platters which are divided into tracks and sectors. Data is read and written using electromagnets. Including hard disk drive (HDD) • Optical storage uses lasers to create and read pits and lands. Including: CD, DVD and Blu-ray • Solid-state (flash memory) uses NAND or NOR technology. Transistors are used as control gates and floating gates. Including: solid-state drive (SSD), SD card and USB drive
4 Describe what is meant by virtual memory, how it is created and used and why it is necessary • Pages of data are transferred between RAM and virtual memory when needed
5 Understand what is meant by cloud storage • Cloud storage can be accessed remotely in comparison to storing data locally
6 Explain the advantages and disadvantages of storing data on the cloud in comparison to storing it locally • Physical servers and storage are needed to store data in cloud storage

来源:剑桥国际大纲

主存储器(primary storage)是 CPU 能直接使用的内存。有两种。

RAM:易失性、能改变、容纳运行中的程序。ROM:非易失性、不能改变、容纳启动指令
RAM 是易失性的并容纳运行中的程序;ROM 是非易失性的且只读
RAM ROM
全名 随机存取存储器(random access memory) 只读存储器(read only memory)
读/写 读和写 只读
没有电时保留数据? 否——它是易失性(volatile)的 是——它是非易失性(non-volatile)的
容纳 现在使用中的程序和数据 启动指令(如何引导计算机)

两者都需要:ROM 告诉计算机如何启动,然后 RAM 容纳你运行的程序。

一块长而薄的绿色电路板,携带一排排小的黑色内存芯片和一个金色边缘连接器
一条 RAM(随机存取存储器):它容纳现在使用中的程序和数据
词汇表 训练
英文 中文 拼音
Primary storage 主存储器 zhǔ cún chǔ qì
random access memory 随机存取存储器 suí jī cún qǔ cún chǔ qì
read only memory 只读存储器 zhī dú cún chǔ qì
volatile 易失性 yì shī xìng
non-volatile 非易失性 fēi yì shī xìng
3.3

辅助存储

辅助存储器(secondary storage)永久地保留数据,即使电关了。它是非易失性的,被用于长期存储。有三种类型。

类型 它如何存储数据 例子
磁存储(magnetic storage) 数据作为旋转磁盘上被磁化的斑点存储 硬盘驱动器(HDD)、磁带
光存储(optical storage) 数据作为被一个激光读取的标记存储 CD、DVD、蓝光
固态存储(solid state storage) 数据存储在闪存(flash memory)中,没有移动部件 SSD、USB 闪存盘、存储卡
一个打开的硬盘驱动器内部,显示圆形的银色盘(盘片)和停在它上面的读/写臂
一个硬盘驱动器(HDD)内部:闪亮的盘旋转,而臂读取被磁化的数据
四个方形磁带盒,每个容纳一卷细磁带
磁带把数据存储在一条长磁带上;它对大的备份便宜
一张闪亮的圆盘,从它的数据表面反射彩虹色
一张光盘如一张 CD 或 DVD:一个激光读取它闪亮表面上的标记
一个 2.5 英寸的三星固态驱动器,一个扁平的灰色金属盒,没有可见的移动部件
一个固态驱动器(SSD)把数据存储在闪存芯片中,没有移动部件
一个小的白色 U 盘,带一个红色帽环,标注 32 GB
一个 U 盘把数据存储在闪存中,没有移动部件
一个金字塔,寄存器在顶部,然后高速缓存,然后 RAM,然后底部辅助存储,带一个更快更小到更慢更大的箭头
存储构成一个层级:寄存器和高速缓存最快但最小;辅助存储最慢但最大
探索

Device and storage lab

Classify computing examples by what job they do in a system.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
Secondary storage 辅助存储器 fǔ zhù cún chǔ qì
magnetic storage 磁存储 cí cún chǔ
optical storage 光存储 guāng cún chǔ
solid state storage 固态存储 gù tài cún chǔ
flash memory 闪存 shǎn cún
3.3

虚拟内存

当 RAM 变满时,计算机能把辅助存储的一部分用作额外的、假装的 RAM。这叫虚拟内存(virtual memory)。

现在不需要的数据被从 RAM 移出到磁盘上,这为其他程序在 RAM 中腾出空间。这让你运行比单独的 RAM 能容纳的更多的程序。它更慢,因为辅助存储比 RAM 慢得多。

RAM 容纳两个活动的程序和一个腾出的槽,一个箭头把一个未使用的程序移出到磁盘
当 RAM 满时,不使用的数据被移到磁盘以腾出 RAM——更慢,但它让更多的程序运行
词汇表 训练
英文 中文 拼音
virtual memory 虚拟内存 xū nǐ nèi cún
3.3

数据存储

大纲
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 Understand what is meant by primary storage • Primary storage is directly accessed by the CPU • Including the role of: – random access memory (RAM) – read only memory (ROM) • Including why a computer needs both RAM and ROM, and the difference between them
2 Understand what is meant by secondary storage • Secondary storage is not directly accessed by the CPU and is necessary for more permanent storage of data
3 Describe the operation of magnetic, optical and solid-state (flash memory) storage and give examples of each • Magnetic storage uses platters which are divided into tracks and sectors. Data is read and written using electromagnets. Including hard disk drive (HDD) • Optical storage uses lasers to create and read pits and lands. Including: CD, DVD and Blu-ray • Solid-state (flash memory) uses NAND or NOR technology. Transistors are used as control gates and floating gates. Including: solid-state drive (SSD), SD card and USB drive
4 Describe what is meant by virtual memory, how it is created and used and why it is necessary • Pages of data are transferred between RAM and virtual memory when needed
5 Understand what is meant by cloud storage • Cloud storage can be accessed remotely in comparison to storing data locally
6 Explain the advantages and disadvantages of storing data on the cloud in comparison to storing it locally • Physical servers and storage are needed to store data in cloud storage

来源:剑桥国际大纲

云存储(cloud storage)把你的数据保存在通过互联网访问的远程物理服务器上,而不是在你自己的设备上。

  • 优点:从任何地方任何设备访问它;没有本地存储硬件要购买或维护;容易分享文件和自动备份。
  • 缺点:需要一个可用的互联网连接;持续的订阅成本;安全和隐私取决于提供商;你依赖那个提供商保持可用和在营。
Data-centre server racks: cloud storage keeps your files on remote servers you reach over the network
Data-centre server racks: cloud storage keeps your files on remote servers you reach over the network
词汇表 训练
英文 中文 拼音
Cloud storage 云存储 yún cún chǔ
3.4

网络硬件

大纲
Candidates should be able to: Notes and guidance
1 Understand that a computer needs a network interface card (NIC) to access a network
2 Understand what is meant by, and the purpose of, a media access control (MAC) address, including its structure • A network interface card is given a MAC address at the point of manufacture • MAC addresses are usually written as hexadecimal • MAC addresses are created using the manufacturer code and the serial code
3 (a) Understand what is meant by, and the purpose of, an internet protocol (IP) address (b) Understand that there are different types of IP address • An IP address is allocated by the network and it can be static or dynamic • Including the characteristics of, and differences between, IPv4 and IPv6
4 Describe the role of a router in a network • A router sends data to a specific destination on a network • A router can assign IP addresses • A router can connect a local network to the internet

来源:剑桥国际大纲

Network interface card (NIC)

一个网络接口卡(network interface card,NIC)是让一个设备加入一个网络并发送和接收数据的硬件。每个 NIC 有一个内建的 MAC 地址。

MAC address and IP address

  • 一个 MAC 地址(media access control 介质访问控制 地址)是一个识别一个物理设备的数。制造商设定它,而它通常不改变。它用十六进制书写。
  • 一个 IP 地址(internet protocol 网际协议 地址)是一个识别一个网络上的一个设备的数。它由网络给出并能改变。

所以一个 MAC 地址随设备,而一个 IP 地址取决于设备正在使用的网络。

IP 地址有两个版本。IPv4 是 32 位的,写成四个 0–255 的十进制数(例如 192.168.0.1);较新的 IPv6 是 128 位的,写成用冒号分隔的八组十六进制数,提供多得多的地址。一个地址还要么是静态(static)的(固定、手动设置、从不改变),要么是动态(dynamic)的(每次设备连接时由路由器/网络分发,所以能改变)。

Router

一个路由器(router)把不同的网络连接在一起——例如,你的家庭网络连到互联网。它读每个数据包中的 IP 地址并把它转发向正确的网络。

A Wi-Fi router: network hardware forwards packets between devices and the wider Internet
A Wi-Fi router: network hardware forwards packets between devices and the wider Internet
探索

Network route lab

Follow data from a device through network hardware and protocols.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
network interface card 网络接口卡 wǎng luò jiē kǒu kǎ
static 静态 jìng tài
dynamic 动态 dòng tài
router 路由器 lù yóu qì
fetch-execute cycle 取指执行周期 qǔ zhǐ zhí xíng zhōu qī
media access control 介质访问控制 jiè zhì fǎng wèn kòng zhì
internet protocol 网际协议 wǎng jì xié yì
3.4

考试技巧

  • 学习取指-译码-执行周期和特殊寄存器:程序计数器容纳下一条指令的地址,MAR/MDR 携带地址/数据,而累加器容纳 ALU 的结果。
  • CPU 性能随更多的核心、一个更大的高速缓存和一个更高的时钟速度改善。
  • RAM 是易失性的(它在没有电时失去它的数据)并容纳使用中的程序;ROM 是非易失性的且只读(启动指令)。
  • 匹配辅助存储类型:(HDD、磁带)、(CD/DVD,被一个激光读取)、固态(SSD、USB、闪存——没有移动部件)。
  • 一个 MAC 地址识别物理设备且通常不改变;一个 IP 地址由网络给出并能改变。

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