CAIE AS and A Level CS revision - Unit 3 (2nd)

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Unit 3 Hardware 硬件（AS）

3.1 Computers and their components 计算机及其组成

• 大纲要求

3.1.1 Show understanding of the need for input, output, primary memory and secondary (including removable) storage 了解输入、输出、主存储器和辅助（包括可移动）存储的需求

• Input：输入，指向计算机输入数据的操作。常见的输入设备包括：keyboard键盘、touch screen触摸屏、game controller游戏手柄、scanner扫描仪、microphone麦克风等。
• Output：输出，指从计算机对外传输的操作。常见的输出设备包括：screen display屏幕显示、printer打印机、virtual headset display虚拟耳机、speaker喇叭等。
• Primary storage：主存储器，指memory内存。
• Secondary storage：辅助存储器，指硬盘等非内存型存储。

• 各类存储器的特征：如下图所示。

• • Register：寄存器，指CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。其读写速度非常快。

• 根据各类存储器特征的不同，人们会选择不同类型的存储器进行数据储存。
  • 计算机内部使用：hard disk硬盘或solid-state drive固态硬盘
  • 可插入计算机内部：floppy disk软盘、optical disc光盘或magnetic tape cartridge磁带
  • 可与计算机相连：hard drive硬盘驱动器、memory stick记忆棒或memory card记忆卡
  • 可携带：flash memory stick闪存盘
  • 远程：cloud云存储

3.1.2 Show understanding of embedded systems 理解嵌入式系统

Including: benefits and drawbacks of embedded systems 包括：嵌入式系统的优缺点

• Embedded system：嵌入式系统，指能单独运作完成某个或某些功能的器件。
  • Embedded system嵌入式系统必须包括processor处理器、memory内存和I/O capability输入/输出功能。
  • Microcontroller：微处理器，指搭建在chip芯片上的嵌入式系统。
  • 嵌入式系统的优点：
    • Special-purpose专用。
    • 大规模生产能够带来规模经济。
    • 通过网络连接形成IoT物联网，方便人们生活。
  • 嵌入式系统的缺点：
    • 发展早期存在编程困难、存储空间小等问题。
    • 出现错误后需要重新生产芯片并安装。
    • 安全性可能出现问题，可能被入侵。

3.1.3 Describe the principal operations of hardware devices 描述硬件设备的主要操作

Including: Laser printer, 3D printer, microphone, speakers, magnetic hard disk, solid state (flash) memory, optical disc reader/writer, touchscreen, virtual headset 包括：激光打印机、3D打印机、麦克风、扬声器、磁性硬盘、固态（闪存）存储器、光盘读写器、触摸屏、虚拟耳机

• Secondary storage devices辅助存储设备：
  • magnetic hard disk：磁盘，指使用磁化技术来存储数据的硬件设备。
    • 磁盘的特征：
      • 同心磁道，同步旋转。
      • 每个盘片的每一面都有read-write head读写头，所有读写头同步运动。读头和写头采用相反的法则，组合在一起，使用0和1来表示不同的状态。
    • Sector：扇区，指磁盘轨道上划分出来的（弧状）区域，包含一定数量的字节数。硬盘的读写以扇区为基础，是存储的最小单位。
      • 存储数据时，需要为其分配足够数量的扇区。这些扇区可相邻也可不相邻，当数据删除时，这些区域也变成空位。因此久而久之，扇区越来越碎片化，性能降低，因此需要通过定期的defragmentation program碎片整理重新恢复扇区。
      • 如果扇区坏了则称为badsector坏扇区，这些地方将无法再存储数据，原来存储的数据也会损坏。
  • solid state (flash) memory：固态闪存，指能够通过一次擦除就会清除掉整个记忆块上的内容的存储技术。无需向普通硬盘一样需要按字节修改数据。
    • 使用闪存技术的存储设备寿命较长，但随着时间推移也会缓慢老化。
    • 闪存的传输速度大大超过传统硬盘。
  • optical disc reader/writer：光盘读写，指通过激光对光盘内部特殊材料的spit凹陷和land平地的扫描来读取或记录二进制码的技术。
    • ROM技术是只读，RW技术是读写。RW技术的出现使得光盘可以取代软盘进行数据存储。
    • 光的波长对数据存储容量有重要影响。波长越短，存储容量越大。比如CD波长780nm，而DVD波长680nm。

• Output输出设备：
  • Screen：屏幕，指用于展示内容的设备。
    • 较早以前的屏幕采用cathode ray tube（CRT）技术，电子落在屏幕上的荧光粉上时会发光，以此显示相应的像素。
    • 如今的屏幕多采用liquid-crystal display（LCD）技术，使用单独的液晶单元来表示每个像素。通过back-lighting背景光与polariser偏振器的作用，使得内容呈现在屏幕上。
  • virtual reality headset：虚拟现实耳机，指使得使用者能够看到3D效果的设备。通过eye-pieces目镜，可以让使用者处于3D环境来观看图像。
  • Laser printer：激光打印机，指通过激光控制电荷以引导石墨粉吸附的打印设备。（注意：drum感光鼓和toner墨粉的极性相同，drum感光鼓和纸张（转印辊）的极性相反。）
    • Printing drum打印鼓（感光鼓）在一开始被充满positive charge正电荷。感光鼓滚动时，使用laser激光在需要打印的地方照射感光鼓，感光鼓由光敏材料制成，被激光照射到的地方，原来的正电荷会转换为负电荷。在不需要打印的地方关闭激光，使其仍为正电荷。因此最后仅剩打印部分有负电荷（“静电潜像”）。
    • 将感光鼓靠近带有positive charge正电荷的toner墨粉，使得墨粉吸附在感光鼓上有负电荷的位置，即需要打印的图像或文字位置，形成右眼可见的图案。
    • 纸张被送入打印机内，充上负电荷（或纸张下方有带有负电荷的转印辊）。感光鼓靠近纸张，由于转印辊的电压更高，因此感光鼓上带有正电荷的墨粉被吸附到拥有负电荷的纸上。随后，对纸张进行中和消电。
    • 纸张进入heated roller加热辊，将墨粉融化并渗入纸张内，压力辊将墨粉固定在纸张上。
    • 输出打印好的纸张。
    • Discharge lamp消电灯移除掉感光鼓上所有电荷。
    • 清洁刮板会对感光鼓上仍残留的墨粉进行清洁，将其刮入废粉仓内。
    • 上述过程反复进行，直到全部文件打印完毕。
  • 3D printer：三维打印机，指以数字模型文件为基础，运用可粘合材料通过逐层打印的方式来构造物体的打印设备。该打印机采用computer-aided manufacture （CAM）计算机辅助制造技术，根据发送过来的数据，逐层喷涂材料，以构成其物理外形，最后通过固化使得各层粘合在一起，形成最终成品。
    • 3D打印现在广泛应用于建筑业、设计业等行业，医疗方面也在使用该技术进行研究和手术。
  • Speakers：扬声器，指发出声音的设备。数字信号通过digital-to-analogue（DAC）converter数/模转换器将其转化为模拟信号，通过current电流的变化改变扬声器中的magnetic field磁场，使得处于磁场内部的coil线圈发生前后移动，从而发出声音。

• Input输入设备：
  • Keyboard：键盘，指用于输入指令和控制计算机操作的按键装置。
    • 键盘生效的内在原理：键盘按键下方有着由一组电路矩阵，由一行行、一列列电线构成。当按键按下时，接通特定电路回路。键盘的microprocessor微处理器会不断检测是否有回路接通，如果有回路接通，则将闭合处的交点位置和ROM中储存的字符代码进行比对，并将对应的字符输出到屏幕上。
  • touchscreen：触摸屏，指通过触碰屏幕进行指令输入的设备。
    • resistive电阻式触摸屏：屏幕分上下两层，中间稍有间隔，上层的屏幕是可形变的。当触摸时，上层屏幕弯曲，使得上下两层相触，在水平和垂直方向出现分压器。
    • capacitive电容式触摸屏：无需软屏幕，当触摸时，电子组件的电容发生变化，从而识别相应指令。使用projective capacitive touch（PCT）投射式电容触控技术，能够识别更加复杂的触控。
  • Microphone：麦克风，指输入声音的设备。该设备通过diaphragm膈膜的振动使得电信号发生变化，经过analogue-to-digital（ADC）converter模/数转换器的转换，将声音的模拟信号转为数字信号，录入计算机。

3.1.4 Show understanding of the use of buffers 理解缓冲区的用途

• Buffer：缓冲区，指用于暂时储存数据的地方。当接收速度小于发送速度时，暂时无法接收的数据将临时储存于缓冲区内。缓冲区是queue队列结构，先进先出。

3.1.5 Explain the differences between Random Access Memory (RAM) and Read Only Memory (ROM) 解释随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）的区别

Including their use in a range of devices and systems 包括它们在一系列设备和系统中的使用

• Random Access Memory (RAM)：随机存取内存器，指在读取某一数据时，不会影响到其他位置储存数据的内存器。有时其也指read-write memory读写内存器，即可以重复读取或写入。
  • 注意：当断电后，储存在其内部的所有数据都会被清除。
• Read Only Memory (ROM)：只读内存器，指只能读取无法写入的内存器。
  • 注意：即使断电后，其内部的数据也不会丢失。适用于不会改变而需要一次次读取的数据储存，最常见的是用于开机即启动的bootstrap program引导程序。Embedded systems也会使用ROM。

3.1.6 Explain the differences between Static RAM (SRAM) and Dynamic RAM (DRAM) 解释静态 RAM（SRAM）和动态 RAM（DRAM）的区别

Include their use in a range of devices and systems and the reasons for using one instead of the other depending on the device and its use 包括它们在一系列设备和系统中的使用，以及根据设备及其用途使用其中一种而不是另一种的原因

• Static RAM (SRAM)：静态RAM，指通过flip-flops触发器来储存数据的RAM。
  • 特征：
    • 无需刷新，在通电的情况下能够一直保存数据。
    • 读取速度快。
    • 元件多，占据空间大，因此同等空间中其数量更少，价格更贵。
    • 主要作为cache memory缓存使用。在embedded system中更多地使用SRAM（因为其功能有限）。
• Dynamic RAM (DRAM)：动态RAM，指通过capacitors电容器的充放电来储存数据的RAM。
  • 特征：
    • 电容器存在漏电，因此需要不断刷新才能够保存数据。
    • 读取速度慢。
    • 元件少，密度大，价格更便宜。
    • 主要作为main memory主内存使用。

3.1.7 Explain the difference between Programmable ROM (PROM), Erasable Programmable ROM (EPROM) and Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM) 解释可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电可擦可编程ROM（EEPROM）的区别

• Programmable ROM (PROM)：可编程ROM。芯片制造商向编程者提供芯片，以便后者能够在大规模生产芯片前进行样品试验。
  • 注意：PROM一旦制作完成，将无法再次修改。
• Erasable Programmable ROM (EPROM)：可擦可编程ROM。该芯片允许通过特定手段擦除原有数据并重新安装程序。
  • 注意：EPROM在擦除数据时需要提前将其从电路中移出。
• Electrically Erasable Programmable ROM (EEPROM)：带电可擦可编程ROM。该芯片通过电信号来擦除原有数据并写入新数据。
  • 注意：EEPROM在擦除数据时无需从电路中移出。该芯片仍属于只读芯片。

3.1.8 Show an understanding of monitoring and control systems 了解监控系统

Including: 包括：
· difference between monitoring and control 监控与控制的区别
· use of sensors (including temperature, pressure, infra-red, sound) and actuators 使用传感器（包括温度、压力、红外线、声音）和执行器
· importance of feedback 反馈的重要性

• Monitoring system：监控系统，指用于监视计算机系统的某些物理属性是否超出临界值的系统。
  • 监控系统仅起到监视作用，对超出临界值的情况无法及时干预。待数据传回计算机后，计算机会产生警报。
  • 监控系统使用sensors传感器进行探测。常见的传感器可用于探测temperature温度、pressure压力、infra-red红外线、sound声音等，并将其转换为可传输到计算机的值。
• Control system：控制系统，指可以对计算机系统进行监控与指令控制的系统。
  • 控制系统使用actuator执行器来控制计算机。
  • 计算机不断向sensors传感器请求测量值，当发现传感器的测量值不在正常范围内时，则向actuator执行器发送命令，要求其进行干预。其运行过程如下图所示：

• • Feedback：反馈，指计算机收到的来自其他设备的数据。
    • 反馈是非常重要的。计算机可以通过获取反馈，来检验对系统的控制是否生效。
    • Close-loop feedback control system：闭环反馈控制系统，指直接根据反馈启动控制系统的系统。其原理如下图所示：

3.2 Logic Gates and Logic Circuits 逻辑门和逻辑电路

• 大纲要求

3.2.1 Use the following logic gate symbols: 使用以下逻辑门符号：

• 注意：左边是输入端，有1~2个数据输入。右边是输出端，只有1个结果输出。

3.2.2 Understand and define the functions of: NOT, AND, OR, NAND, NOR and XOR (EOR) gates 理解和定义：NOT、AND、OR、NAND、NOR 和 XOR (EOR) 门的功能

All gates except the NOT gate will have two inputs only. 除非门外的所有门都只有两个输入。

• Boolean：布尔运算，是计算机科学中的逻辑数据类型，其结果只有true或false两种。常见的运算符包括以下几种：
  • NOT：非运算。如果A=FALSE，则NOT A=TRUE。
  • AND：与运算。如果A=TRUE且B=TRUE，则A AND B=TRUE。
  • OR：或运算。如果A=TRUE或B=TRUE，则A OR B=TRUE。
  • NAND：与非运算。如果A=FALSE或B=FALSE，则A NAND B=TRUE。
    • A NAND B=NOT (A AND B)。
  • NOR：或非运算。如果A=FALSE且B=FALSE，则A NOR B=TRUE。
    • A NOR B=NOT (A OR B)。
  • XOR (EOR)：异或运算。如果A=TRUE或B=TRUE，但A和B不同时为TRUE，则A XOR B=TRUE。

3.2.3 Construct the truth table for each of the logic gates above 为上述每个逻辑门构造真值表

• NOT的真值表：

A	X
0	1
1	0

• AND的真值表：

A	B	X
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

• OR的真值表：

A	B	X
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

• NAND的真值表：

A	B	X
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

• NOR的真值表：

A	B	X
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

• XOR (EOR) 的真值表：

A	B	X
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

3.2.4 Construct a logic circuit 构建逻辑电路

From: 来自：
· a problem statement 问题陈述
· a logic expression 逻辑表达式
· a truth table 真值表

• 【参考3.2.1、3.2.2、3.2.3】。

3.2.5 Construct a truth table 构造真值表

From: 来自：
· a problem statement 问题陈述
· a logic circuit 逻辑电路
· a logic expression 逻辑表达式

• 【参考3.2.1、3.2.2、3.2.3】。

3.2.6 Construct a logic expression 构造逻辑表达式

From: 来自：
· a problem statement 问题陈述
· a logic circuit 逻辑电路
· a truth table 真值表

• 【参考3.2.1、3.2.2、3.2.3】。