CAIE IGCSE CS revision - Unit 3 (2023)

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Unit 3 Hardware 硬件

3.1 Computer architecture 计算机体系结构

• 大纲要求

3.1.1 (a) Understand the role of the central processing unit (CPU) in a computer 了解中央处理器 (CPU) 在计算机中的作用

• The CPU processes instructions and data that are input into the computer so that the result can be output 使用CPU处理输入计算机的指令和数据，以便输出结果

• Central processing unit（CPU）：中央处理器，用于处理所有计算机instructions指令和data数据，是计算机系统的运算与控制核心。

3.1.1 (b) Understand what is meant by a microprocessor 了解微处理器的含义

• A microprocessor is a type of integrated circuit on a single chip 微处理器是一种单芯片集成电路

• Microprocessor：微处理器，指单芯片上的集成电路，能够独立完成指令的存储与处理。
  • 注意：CPU和microprocessor的概念相近，一定程度上可以相互替代。CPU本质上是一种微处理器，但微处理器不一定全都是CPU。

3.1.2 (a) Understand the purpose of the components in a CPU, in a computer that has a Von Neumann architecture 在具有冯诺依曼体系结构的计算机中，了解CPU中组件的用途

• Including: 包括：
- units: arithmetic logic unit (ALU) and control unit (CU) 器：算术逻辑器（ALU）和控制器（CU）
- registers: program counter (PC), memory address register (MAR), memory data register (MDR), current instruction register (CIR) and accumulator (ACC) 寄存器：程序计数器（PC）、内存地址寄存器（MAR）、内存数据寄存器（MDR）、当前指令寄存器（CIR）和累加器（ ACC）
- buses: address bus, data bus and control bus总线：地址总线、数据总线和控制总线

• Von Neumann architecture：冯诺依曼体系，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。
  • 主要内容：
    • The concept of a central processing unit (CPU or processor). 提出了计算机需要CPU的概念
    • The CPU was able to access the memory directly. CPU能够直接访问内存
    • Computer memories could store programs as well as data. 计算机内存应能够存储数据与程序
    • Stored programs were made up of instructions which could be executed in sequential order. 存储的程序由指令构成，能够按照一定的顺序执行
    • 5 units：control unit控制器、arithmetic & logic unit算术逻辑器、memory unit存储器、input device输入设备、output device输出设备

• CPU的组成部分：
  • Arithmetic & logic unit（ALU）：算术逻辑器，承担所有和算术（加、减、左右移动shift）、逻辑（AND、OR、NOT等）有关的指令运算。
    • 注意：计算机可以拥有多个ALU。
    • 注意：关于普通数学中的乘除运算，计算机是通过多次加减或执行左右逻辑移动的方式进行的。
  • Control unit（CU）：控制器，通过发送控制信号来保证数据和程序指令运行的同步性，能够协调和指挥整个计算机系统的操作。
    • 注意：CU通过system clock系统时钟来协调整个系统。【参考3.1.3】
  • Register：寄存器，指存储数据或指令的模块。
    • 注意：寄存器中有些是general purpose通用用途，有些是special purpose特殊用途。但具体类型的细分已经超出大纲范畴。
    • 常见的寄存器类型：
      • program counter (PC)：程序计数器，存储着下一个指令所在的地址位置。
      • memory address register (MAR)：内存地址寄存器，存储着当前正在被读取或写入的内存地址位置。
      • memory data register (MDR)：内存数据寄存器，存储着已经从内存中读取或即将写入内存的数据。
      • current instruction register (CIR)：当前指令寄存器，存储着当前正在解码和执行的指令。
      • accumulator (ACC)：累加器，通常和ALU配合使用，存储着计算过程中暂时需要保存的数据。
  • System bus：系统总线，指用于各个组件间传输数据、地址和控制信号的连接线。
    • 常见的总线类型：
      • Address bus：地址总线，用于传输地址的系统总线。
        • 注意：地址总线是单向传输的，仅能从CPU中将地址输出。
        • 注意：地址总线越宽，能够同时定位的内存地址位置越多。
      • Data bus：数据总线，用于传输数据的系统总线。
        • 注意：数据总线是双向传输的，数据可以从CPU传出，进入内存或输入/输出设备，也可以反过来。
        • 注意：数据总线越宽，能够输出的word length字长就越多。
      • Control bus：控制总线，用于传输控制信号的系统总线。
        • 注意：控制总线是双向传输的，控制信号可以从CPU传出，进入其他计算机内的部分，也可以反过来。
        • 注意：通常是8-bits宽度，足够信号传递使用。
  • Cache memory缓存【参考3.1.3】
  • Numbers of cores核数【参考3.1.3】

• CPU的结构如图所示：

3.1.2 (b) Describe the process of the fetch-decode-execute cycle including the role of each component in the process 描述获取-解码-执行循环的过程，包括每个组件在这个过程中的作用

• 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 如何将指令和数据从随机存取存储器 (RAM) 提取到 CPU，如何使用每个组件处理它们以及如何执行它们
• Storing data and addresses into specific registers 将数据和地址存储到特定的寄存器中
• Using buses to transmit data, addresses and signals 使用总线传输数据、地址和信号
• Using units to fetch, decode and execute data and instructions 使用器获取、解码和执行数据和指令

• Fetch-decode-execute cycle：获取-解码-执行循环，是处理器执行指令的三大过程。
  • Fetch获取阶段的运行过程：
    • 从MAR中读取下一条指令的地址，将从该地址获取的指令存入MDR。
    • 将当前MDR中的指令复制给CIR。
    • PC自动加1，指向下一条待执行指令。
    • 重复以上过程，直到全部指令获取完毕。
  • Decode解码阶段的运行过程：
    • 将CIR中的指令进行decode解码，以便进入执行阶段。
  • Execute执行阶段的运行过程：
    • CPU经过一些计算与处理，将其转化为control signal控制信号，并将其传输给用于执行该指令的设备，控制其完成指令要求。

• Fetch-decode-execute cycle的运行过程如下图所示：

3.1.3 Understand what is meant by a core, cache and clock in a CPU and explain how they can affect the performance of a CPU 了解CPU中核、缓存和时钟的含义，并解释它们如何影响CPU的性能

• The number of cores, size of the cache and speed of the clock can affect the performance of a CPU 内核数量、缓存大小和时钟速度会影响 CPU 的性能

• Core：核。一个core核由一个ALU、一个CU和若干register寄存器组成。
  • 注意：core核越多，CPU的性能表现越好。比如dual core双核、quad core四核等。
  • 注意：多核CPU的性能情况并非简单的加总，必须要将各核之间互连时间考虑在内，因此会比直接加总的性能情况低一些。

• Cache memory：缓存，用于存储一些频繁使用的数据和指令，加快读取速度。
  • 注意：cache缓存位于CPU内，加载速度比从内存读取更快。
  • 注意：cache缓存越大，CPU的性能表现越好。

• System clock：系统时钟，通过生成时间间隔来保证计算机内各部分能够同步进行操作。
  • 注意：可以通过调快clock来加快计算机处理速度，但有时会出现overclocking超频问题。有些部分难以跟上更快的clock（超过设备设定限速），可能会因无法同步而系统崩溃。此外加快速度也会使得CPU过热，缩短其寿命。因此计算机的性能表现不一定会跟着clock加速而提升。

3.1.4 Understand the purpose and use of an instruction set for a CPU 了解CPU指令集的用途和用途

• An instruction set is a list of all the commands that can be processed by a CPU and the commands are machine code 指令集是CPU可以处理的所有命令的列表，这些命令是机器代码

• Instruction set：指令集，指CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，这些指令是machine code机器代码，由opcode操作码和operand操作数构成。
  • Opcode：操作码，是用于告知CPU执行哪一条指令操作的部分。（类似于语法中的动词）
  • Operand：操作数，是具体的数据。（类似于语法中的宾语）

3.1.5 Describe the purpose and characteristics of an embedded system and identify devices in which they are commonly used 描述嵌入式系统的用途和特点，并识别它们常用的设备

• An embedded system is used to perform a dedicated function, e.g. 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, e.g. a personal computer (PC) or a laptop 嵌入式系统用于执行专用功能，例如家用电器、汽车、安全系统、照明系统或自动售货机。这不同于用于执行许多不同功能的通用计算机，例如个人计算机 (PC) 或笔记本电脑

• Embedded system：嵌入式系统，指用于执行专用功能的一系列硬件与软件的集合。
  • 注意：计算机不是嵌入式系统，因为计算机是多功能的，并非专用功能。
  • 常见的结构图如下所示：

• Embedded system嵌入式系统的分类：
  • Programmable devices可编程设备：软件更新可通过连接计算机或Wi-Fi进行。
  • Non-programmable devices不可编程设备：如果需要软件更新则必须更换设备。

• Embedded system嵌入式系统的常见例子：
  • domestic appliances家用电器
  • cars车
  • security systems安全系统
  • lighting systems照明系统
  • vending machines自动售货机

• Embedded system嵌入式系统的优点：
  • they are small in size and therefore easy to fit into devices. 规格小，容易嵌入设备
  • compared to other systems, they are relatively low cost to make. 成本低
  • they are usually dedicated to one task allowing simple interfaces and often no requirement for an operating system. 用户界面简洁，有时候无需操作系统
  • they consume very little power. 耗电量低
  • they can be controlled remotely using a mobile phone, for example. 可使用手机等外部设备控制
  • very fast reaction to changing input (operate in real time and are feedback orientated). 对输入的内容能够做到快速反应
  • with mass production comes reliability. 批量生产，可靠性高

• Embedded system嵌入式系统的缺点：
  • It can be difficult to upgrade some devices to take advantage of new technology. 部分设备更新困难
  • Troubleshooting faults in the device becomes a specialist task. 故障排除可能需要专业人员
  • Although the interface can appear to be simpler (e.g. A single knob) in reality it can be more confusing (e.g. Changing the time on a cooker clock can require several steps!). 用户界面过于简化可能会导致用户操作困难
  • Any device that can be accessed over the internet is also open to hackers, viruses, etc. 联网设备可能遭受黑客或病毒攻击
  • Due to the difficulty in upgrading and faultfinding, devices are often just thrown away rather than being repaired (very wasteful). 由于升级或维修困难，很多有故障的设备不选择修理而选择废弃（浪费资源）
  • Can lead to an increase in the ‘throw away’ society if devices are discarded just because they have become out-of-date. 因为过时而废弃设备，助长社会上的“弃置”文化

3.2 Input and output devices 输入输出设备

• 大纲要求

3.2.1 Understand what is meant by an input device and why it is required 了解输入设备的含义以及需要它的原因

• Including: 包括：
- barcode scanner条形码扫描仪
- digital camera数码相机
- keyboard键盘
- microphone麦克风
- optical mouse光电鼠标
- QR code scanner QR代码扫描仪
- touch screen (resistive, capacitive and infra-red) 触摸屏（电阻式、电容式和红外线）
- two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) scanners二维 (2D) 和三维 (3D) 扫描仪

• Barcode scanner：条形码扫描器，用于读取商品的条形码。
  • 条形码中的数字是由两黑两白的竖线表示的，扫描器通过laser激光或LED发光二极管对其进行扫描，将其转化为数字信号录入计算机，进行下一步处理。
  • 商家使用条形码扫描器的好处：
    • much easier and faster to change prices on stock items. 修改库存信息更容易更便捷
    • much better, more up-to-date sales information/sales trends信息更新更及时
    • no need to price every stock item on the shelves (this reduces time and cost to the management). 没有必要为每个商品贴标价，节约成本
    • allows for automatic stock control. 能够实现自动库存管理
    • possible to check customer buying habits more easily by linking barcodes to, for example, customer loyalty cards. 能够更好地通过会员卡等了解消费者习惯
  • 消费者使用条形码扫描器的好处：
    • faster checkout queues (staff don’t need to remember/look up prices of items). 排队结账速度更快
    • errors in charging customers are reduced. 错误减少
    • the customer is given an itemised bill. 能够获得所购商品的清单
    • cost savings can be passed on to the customer. 消费者也能从成本下降中获得好处
    • better track of ‘sell by dates’ so food should be fresher. 容易追溯保质时间，食物更新鲜

• digital camera：数码相机。通过sensors传感器（比如CCD）将光转换成电信号，再通过模拟数字转换器（ADC）将电信号转为数字信号，从而使得计算机能够识别和处理拍摄的素材。
  • 注意：数码相机的图片拍摄质量与设备硬件、像素设置、灯光、存储类型等都密切相关。
  • 数码相机的运行过程如下图所示：

• Keyboard：键盘。人们通过按键将想输入的字符录入计算机。
  • 键盘的运行过程：
    • 在按键下有circuit board电路板，当按键被按下时，电路形成回路，电信号形成。
    • 电信号被转换器转换成数字信号，由计算机进行处理。
    • 每个字符对应着相关的ASCII码。CPU获取到数字信号后，和预设的index file指数文件对照，确定数字信号所对应的字符。
  • 键盘的运行过程如下图所示：

• Microphone：麦克风。人们通过麦克风将自然界的声音收录入计算机并进行下一步处理。
  • 麦克风的运行过程：
    • 声音发出时会带动附近空气振动，当麦克风中的diaphragm隔膜遇到空气振动，也会随之发生振动。
    • 连在隔膜上的cone锥体随着隔膜振动而发生前后移动，锥体周围围绕着的copper coil铜线圈因此产生随之发生前后移动。
    • 铜线圈反复进入由周围的永磁体形成的magnetic field磁场，形成electric current电流（磁生电）。
    • 电流进入sound card声卡中的ADC转换器，转换为数字信号并录入计算机。
  • 麦克风的运行过程如下图所示：

• Optical mouse：光电鼠标。通过底部光源来操纵屏幕上的光标，以确定准确的位置。
  • 光电鼠标的运行过程：
    • 鼠标内部有红色LED光源，红光照射到平面上，其反射回来的光被鼠标内部的CMOS设备接收到。
    • CMOS设备根据反射光的变化发射电脉冲信号，电脉冲信号被送入DSP转换器，转换为数字信号，使得计算机能够进一步处理。
  • 光电鼠标的运行过程如下图所示：

• • 光电鼠标相较于机械鼠标（滚轮鼠标）的优点：
    • There are no moving parts, therefore it is more reliable. 没有可移动的部件，更耐用
    • Dirt can’t get trapped in any of the mechanical components. 灰尘不会被卷入鼠标内部，影响其他部件
    • There is no need to have any special surfaces. 无需特殊材质的平面

• • 有线鼠标相较于无线鼠标的优点：
    • no signal loss since there is a constant signal pathway (wire). 没有信号损失（有线直连）
    • cheaper to operate (no need to buy new batteries or charge batteries). 便宜
    • fewer environmental issues (no need to dispose of old batteries). 对环境影响小（无需废弃电池）

• QR code scanner：二维码扫描仪
  • Quick response codes（QR codes）：二维码，包含一组像素点，能够发送更多信息（包括图片、文字等），更加实用。
    • 注意：二维码中三个角有非常明显的一个大区块，右下角则没有。
    • 注意：为了配合广告和宣传，开发出了frame QR code框架二维码，其特征是在二维码中央部分可放入商标或图像。

• Touch screen：触摸屏。通过确认手指在屏幕上的触摸位置，实现相应的操作。
  • 触摸屏的分类：
    • Resistive touch screen：电阻式触摸屏，由中间间隔着空气或惰性气体的两层电阻材料形成，电阻材料上带有一定电压。
      • 运行过程：
        • 当两层电阻材料分离时，不会产生电流。
        • 当手指触摸到某处时，顶层电阻材料被压下，和底层电阻材料形成接触，回路接通，产生电流。
        • 电信号被转换成数字信号，计算机根据数字信号能够确定接触位置，完成相关指令。
      • 运行过程如下图所示：

• • • Capacitive touch screen：电容式触摸屏，由表面的玻璃保护层、中间的透明电容层和底部的玻璃层构成。
      • 运行过程：
        • 当手指触碰到屏幕时，电容层中的electrostatic field静电场会发生改变。
        • 事先安装的microcontroller微处理器能够计算出改变发生的位置，从而确定触碰点，完成相关操作。
      • 运行过程如下图所示：

• • • • 电容屏的分类：
        • Surface capacitive screens：表面式电容屏，传感器位于屏幕的四角，仅支持单个手指或触控笔操作。
        • Projective capacitive screens：投射式电容屏，使用三维静电场，支持多指操作。
      • 电容触摸屏的优点：
        • Better image clarity than resistive screens, especially in strong sunlight. 更好的图像清晰度（尤其是阳光下）
        • Very durable screens that have high scratch resistance. 耐磨损
        • Projective capacitive screens allow multi-touch. 允许多指操作
      • 电容触摸屏的缺点：
        • Surface capacitive screens only work with bare fingers or a special stylus. 表面式电容屏仅支持单指或触控笔操作
        • They are sensitive to electromagnetic radiation (such as magnetic fields or microwaves). 对电磁辐射非常敏感
    • Infrared touch screen：红外线触摸屏，由众多传感器和红外线发射器组成。
      • 运行过程：
        • 众多红外线发射器发出红外线，覆盖整个屏幕范围，传感器能够接收到红外线。
        • 如果手指触碰屏幕，则必然会阻挡一部分红外线，传感器收到的光减弱或完全无法接收到。
        • 传感器将结果传至微处理器，微处理器会计算出遮挡的位置，确定该处应该执行的操作。
      • 运行过程如下图所示：

• • • • 红外线触摸屏的优点：
        • Allows multi-touch facilities. 允许多指操作
        • Has good screen durability. 耐磨损
        • The operability isn’t affected by a scratched or cracked screen. 即使屏幕刮花了也不影响使用
      • 红外线触摸屏的缺点：
        • The screen can be sensitive to water or moisture. 对水或湿气敏感
        • It is possible for accidental activation to take place if the infrared beams are disturbed in some way. 红外线光柱可能被干扰导致判断错误
        • Sometimes sensitive to light interference. 对光干扰敏感

• Two-dimensional (2D) scanners：二维（2D）扫描仪，指通过使用强光照射，将文件成像并转化成数字信号的设备。
  • 运行过程：
    • 将文件放在玻璃屏上后，盖上上盖。上盖上有白色的反光板。
    • 扫描头开始扫描文件。扫描头上装有强白光源，照射到文件不同文字和图片的位置，反射回来的光的强弱不同。扫描过程中，没有吸收的光被反射回来，传感器接收到反射回来的光，根据光的强弱产生不同的电信号。
    • 电信号被转换器转换成数字信号，计算机便能开始处理扫描的文件。
    • 扫描后的文件一般是位图格式，不过部分扫描仪还配有optical character recognition（OCR）文字识别功能，能够直接获取扫描文件上的文字。

• Three-dimensional (3D) scanners：三维（3D）扫描仪，指用于扫描立体模型的设备。
  • 运行过程：
    • 三维扫描仪使用tomography technology逐层扫描技术，将物体“分割”成许多slices薄片，逐一扫描后叠加，形成三维图像。
    • 扫描后的三维模型可使用computer aided design（CAD）进行编辑。
  • 运行过程如下图所示：

3.2.2 Understand what is meant by an output device and why it is required 了解输出设备的含义以及需要它的原因

• Including: 包括：
- actuator致动器
- digital light processing (DLP) projector数字光处理 (DLP) 投影仪
- inkjet printer喷墨打印机
- laser printer激光打印机
- light emitting diode (LED) screen发光二极管 (LED) 屏幕
- liquid crystal display (LCD) projector液晶显示器 (LCD) 投影仪
- liquid crystal display (LCD) screen液晶显示器 (LCD) 屏幕
- speaker扬声器
- 3D printer 3D打印机

• Actuator：致动器，用以控制传送带、水阀等的开关状态。
  • 制动器的运行方式很多，书中展示的是将磁棒插入金属线圈内的方式，以此产生电流，用于控制设备运作。如下图所示：

• Digital light processing (DLP) projector：数字光处理 (DLP) 投影仪，指通过digital micromirror device（DMD）数字微镜芯片实现内容投影的设备。
  • 运行过程：
    • 白光透过condensing lens聚光透镜分散成红绿蓝三色。
    • DMD芯片上有众多微小的镜片，能够ON开和OFF关，开时允许光通过，关时阻止光通过。
    • 通过快速开关微镜，可以形成不同深浅的颜色，再配合上三色光，可以形成丰富的色彩，完成内容投影。
  • 运行过程如下图所示：

• • 使用DLP投影仪的优点：
    • higher contrast ratios. 高对比度
    • higher reliability/longevity. 耐用
    • quieter running than LCD projector. 比LCD投影仪更安静
    • uses a single DMD chip, which mean no issues lining up the images. 单一DMD芯片，图像排列没有问题
    • smaller and lighter than LCD projector. 比LCD投影仪更小、更轻
    • they are better suited to dusty or smoky atmospheres than LCD projectors. 比LCD投影仪更适合灰尘多、烟雾多的环境
  • 使用DLP投影仪的缺点：
    • image tends to suffer from 'shadows' when showing a moving image. 当展示动态图时容易出现阴影
    • DLP do not have grey components in the image.
    • the colour definition is frequently not as good as LCD projectors because the colour saturation is not as good (colour saturation is the intensity of a colour) 色彩饱和度不高，因此色彩清晰度不如LCD投影仪

• Liquid crystal display (LCD) projector：液晶显示器 (LCD) 投影仪，指使用液晶技术进行显示的投影仪。
  • 运行过程：
    • 光源穿过一组dichromic mirrors分光镜，被分成红绿蓝三种颜色光。
    • 每种颜色光透过LCD屏幕形成同样内容但颜色不同的画面。
    • 不同颜色的画面被特殊的prism棱柱体重新合成在一起，形成全彩画面。
  • 运行过程如下图所示：

• • 使用LCD投影仪的优点：
    • give a sharper image than DLP projectors 提供比DLP投影仪更清晰的图像
    • have better colour saturation than DLP projectors 具有比DLP投影仪更好的色彩饱和度
    • more efficient in their use of energy than DLP technology - consequently they generate less heat 与DLP技术相比，其能源使用效率更高，因此产生的热量更少
  • 使用LCD投影仪的缺点：
    • although improving, the contrast ratios are not as good as DLPs. 尽管对比度有所提高，但对比度不如DLP
    • LCD projectors have a limited life (that is, the longevity is not as good as DLPs). LCD投影仪的寿命有限（即寿命不如DLP）
    • since LCD panels are organic in nature, they tend to degrade with time (screens turn yellow and the colours are subsequently degraded over time). 由于液晶面板本质上是有机材料，它们往往会随着时间的推移而退化（屏幕变黄，颜色随后会随着时间推移而退化）。

• Inkjet printer：喷墨打印机，指使用墨水对文本、图像等进行打印输出的设备。
  • 组成部分：
    • A print head打印头
    • Cartridges墨盒
    • A stepper motor and belt步进电机和皮带
    • A paper feed进纸装置
  • 应用技术：
    • Thermal bubble：热泡式喷墨技术。
      • 小电阻器产生局部热量使墨水蒸发，这会导致墨水形成一个微小的气泡。当气泡膨胀时，一些墨水从打印头喷射到纸张上。当气泡破裂时，产生一个小的真空环境，这使得新鲜的墨水被吸入打印头。上述情况反复进行，直到打印结束。
    • Piezoelectric：压电技术。
      • 每个打印头的储墨器背后都有一个晶体，该晶体携带一个微小的电荷，能够使喷嘴振动。这种振动使得墨水喷射到纸张上，同时更多的墨水会进入打印头，用于继续打印。
  • 运行过程：
    • 文件被传入打印机driver驱动内，驱动检查并确保打印机能够理解待打印的文件。
    • 打印机检查自身状态（是否繁忙、卡纸、缺墨等），如无异常，则将文件存入printer buffer打印机缓存内。
    • 纸张被送入打印机内。
    • 打印机喷头从左至右逐行进行打印，直至全页打印完毕。
    • 如果还需要打印下一页，则重复上述过程，直至打印完毕。
    • 如果文件过大，打印机缓存无法全部导入，则先导入并打印一部分，待缓存清空后，向计算机CPU请求传输下一部分并继续打印，直至全部文件打印完毕。
  • 应用例子：打印图片或较少页数的文件（因为可打印彩色且色彩更逼真，但打印速度较慢）

• Laser printer：激光打印机，指使用dry powder ink干墨粉和static electricity静电来完成打印任务的设备。
  • 运行过程：
    • 文件被传入打印机driver驱动内，驱动检查并确保打印机能够理解待打印的文件。
    • 打印机检查自身状态（是否繁忙、卡纸、缺墨等），如无异常，则将文件存入printer buffer打印机缓存内。
    • 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。
  • 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。
  • 应用例子：打印页数较多的文件（速度非常快）

• Light emitting diode (LED) screen：发光二极管 (LED) 屏幕，指使用light emitting diodes（LED）光源的显示屏。
  • 显示屏由许多小LED灯组成，每个LED灯都可以发出红绿蓝三色之中的一种色光。随着电流变化，灯的亮度会发生变化，混合在一起形成丰富多彩的颜色。
  • 应用例子：户外大型广告牌

• Liquid crystal display (LCD) screen：液晶显示器 (LCD) 屏幕，指使用液晶显像技术的显示屏。
  • LCD屏幕内部由许多liquid crystal液晶组成，背景光使用LED强光源。在电场的作用下，利用液晶分子的排列方向发生变化，使透光率发生改变，从而展示出不同的色彩。（具体的运行原理不在本大纲考察范围内，在A-Level会深入学习）
    • 注意：早期的背景光光源是cold cathode fluorescent lamp（CCFL）冷阴极荧光灯。
  • LED技术与CCFL技术的对比：
    • LEDs reach their maximum brightness almost immediately (there is no need to ‘warm up’ before reaching full efficiency). LED几乎立即达到最大亮度（不需要“预热”）
    • LEDs give a whiter light that sharpens the image and makes the colours appear more vivid; CCFL had a slightly yellowish tint. LED发出更白的光，使图像更加清晰，使颜色看起来更加生动；CCFL呈微黄色
    • LEDs produce a brighter light that improves the colour definition. LED产生更明亮的光线，提高颜色清晰度
    • monitors using LED technology are much thinner than monitors using CCFL technology. 使用LED技术的显示器比使用CCFL技术的显示器薄得多
    • LEDs last indefinitely; this makes the technology more reliable and makes for a more consistent product. LED持续时间无限
    • LEDs consume very little power which means they produce less heat as well as using less energy. LED消耗的功率非常小，这意味着它们产生的热量更少，同时使用的能量也更少

• Organic light emitting diodes (OLED) screen：有机发光二极管屏幕，指通过电场中的电极来生成光进行显示的屏幕。
  • 该屏幕下有两个电极，分别是metallic cathode金属阴极和glass anode玻璃阳极。当电场作用于电极上时会产生光，从而可以进行图像的显示。
  • 运行过程如下图所示：

• • OLED相较于LED和LCD的优点：
    • The plastic, organic layers of an OLED are thinner, lighter and more flexible than the crystal structures used in LEDs or LCDs. OLED的塑料有机层比LED或LCD中使用的晶体结构更薄、更轻、更灵活。
    • The light-emitting layers of an OLED are lighter; OLED layers can be made from plastic rather than the glass as used in LED and LCD screens. OLED的发光层更轻；OLED层可以由塑料制成，而不是LED和LCD屏幕中使用的玻璃。
    • OLEDs give a brighter light than LEDs. OLED能发出比LED更亮的光。
    • OLEDs do not require backlighting like LCD screens – OLEDs generate their own light. OLED不需要像LCD屏幕那样的背光，因为OLED自己就能产生光。
    • Since OLEDs require no backlighting, they use much less power than LCD screens (most of the LCD power is used to do the backlighting); this is very important in battery-operated devices such as mobile phones. 由于OLED不需要背光，因此使用功率比LCD屏幕少得多（大部分LCD功率用于背光）；这在手机等使用电池的设备上是非常重要的。
    • Since OLEDs are essentially plastics, they can be made into large, thin sheets (this means they could be used on large advertising boards in airports, subways, and so on). 由于本质上是塑料，所有OLED可以制成大而薄的薄片（可以用于机场、地铁等的大型广告牌）。
    • OLEDs have a very large field of view, about 170 degrees, which makes them ideal for use in television sets and for advertising screens. OLED有非常大的视野，大约170度，这使得它们非常适合用于电视机和广告屏幕。

• Speaker：扬声器，指播放声音的设备。
  • 运行过程：
    • 计算机中的数字信号通过digital to analogue converter（DAC）数字-模拟信号转换器转换为电流信号。
    • 转换后的电流信号需要经过amplifier放大器，产生足以驱动扬声器的电流信号。
    • 电流信号进入包裹在iron core铁芯上的铜线内，使得铁芯变成electromagnet电磁体。电流信号发生改变，该电磁体的磁极和产生的磁场也会发生相应的变化。
    • 电磁体外有permanent magnet永磁体，距离电磁体比较近。随着电磁体磁极变化，铁芯会被吸引或排斥，从而引发振动。
    • 铁芯与cone锥形薄膜（由纸或复合材料制成）相连，铁芯的振动传给锥形薄膜，引发薄膜振动，从而制造出声波，人们能够听到从扬声器中传来的声音。
  • 运行过程如下图所示：

• 3D printer：三维（3D）打印机，指能够打印立体模型的打印设备。
  • 3D打印技术分类：
    • Direct 3D printing：直接三维打印，指打印机喷头按照xyz三维坐标系进行打印。
    • Binder 3D printing：粘合三维打印，指打印按照两步进行，第一步是在打印处撒上干粉，第二步是喷射一些粘合剂（类似胶水）使其形成固体层。
  • 运行过程：
    • 在CAD软件中建立立体模型。
    • 将立体模型数据导入特定软件内，以便打印机能够理解该格式并进行打印。
    • 打印机按照模型数据进行逐层打印，打印时长与每层的厚度、使用的材料、模型的大小等相关。
    • 打印完毕的模型需要进行手动的细节修复，比如清洗、去掉多余材料等。

3.2.3 (a) Understand what is meant by a sensor and the purposes of sensors 了解传感器的含义和传感器的用途

• Limited to: 仅限于：
- acoustic 声学
- accelerometer 加速度计
- flow 流量
- gas 气体
- humidity 湿度
- infrared 红外线
- level 液位
- light 光
- magnetic field 磁场
- moisture 湿度
- pH 酸碱度
- pressure 压力
- proximity 接近度
- temperature 温度

• Sensors：传感器，指能够收集或测量一些日常生活中的物理特征的输入设备。
  • 常见的传感器：
    • Acoustic/sound：声学传感器，通常是麦克风，将周围的声音收集起来并转换成电信号或脉冲。
      • 常见例子：声控设备、检查漏水装置
    • Accelerometer：加速度计传感器，用于测量物体加速度的装置。
      • 常见例子：汽车中的相关组件、手机中用于切换横竖屏模式的装置
    • Flow：流量传感器，用于测量液体或气体流量大小和流速的装置，输出数据为一定时间内通过该传感器的液体或气体量。
      • 常见例子：医疗设备（氧气等）、输油/输气管道
    • Gas：气体传感器，用于测量气体量的装置，输出数据为气体的总量。
      • 常见例子：污染排放量监测、含氧量监测
    • Humidity：湿度传感器，用于测量水蒸气带来的湿度的装置。
      • 常见例子：房间湿度、大气湿度监测
    • Infrared：红外线传感器，分为active主动红外线传感器和passive被动红外线传感器。
      • Active infrared sensor：主动红外线传感器，指主动发射红外线的装置，主要用于侦察周围环境。如果发射的红外线被阻挡而未到达传感器，产生的信号发生变化，则认为有物体进入周围环境。
        • 常见例子：雨刷器、防盗系统
      • Passive infrared sensor：被动红外线传感器，指不主动发射红外线，仅接受周围物体散发出的红外线的装置。
        • 常见例子：温度监测器、防盗系统、热成像系统
    • Level：液位传感器，通过使用ultrasonics超声、capacitance电容或conductivity电导率等方式测量液体深度的装置。
      • 常见例子：测量水深、测量汽油量
    • Light：光传感器，通过使用photoelectric cells光电池，根据光的明亮度产生不同的输出的装置。
      • 常见例子：开关路灯装置、汽车自动亮灯装置
    • Magnetic field：磁场传感器，用于测量磁场变化情况的装置，其输出值虽磁场变化而改变。
      • 常见例子：CD播放器、手机
    • Moisture：湿度传感器，用于测量含水量的装置。
      • 常见例子：土壤湿度
    • pH：酸碱度传感器，通过测量土壤内电压变化而获取酸碱度情况的装置。
      • 常见例子：土壤酸碱度监测、排污监测
    • Pressure：压力传感器，用于测量压力大小的装置。压力不同，形成的电信号也不同。
      • 常见例子：核反应堆内气压监测、体重秤
    • Proximity：接近度传感器，用于测量附近物体的装置。靠近的距离不同，输出结果不同。
      • 常见例子：手机面部解锁、接听自动锁屏
    • Temperature：温度传感器，用于检测周围温度的装置。温度不同，输出结果不同。
      • 常见例子：中央空调、实时气温监测、化学反应温度监测

3.2.3 (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 确定每个传感器捕获的数据类型并了解何时使用每个传感器，包括为给定环境选择最合适的传感器

• 传感器的数据转换：
  • 将日常物理特征输入计算机：analogue data模拟数据 à 进入ADC转换器 à digital data数字数据
  • 将计算机的要求发送给actuators致动器：digital data数字数据 à 进入DAC转换器 à analogue data模拟数据

• 传感器的分类：
  • Monitoring sensors：监控型传感器，指仅获取环境数据但不会对环境做出任何干预的传感器。
  • Control sensors：控制型传感器，指发现数据异常后会做出相应调节反应的传感器。
  • 二者的区别如下图所示：

• 传感器的使用与选择【参考3.2.3(a)】

3.3 Data storage 数据存储

• 大纲要求

3.3.1 Understand what is meant by primary storage 了解主存储的含义

• Primary storage is directly accessed by the CPU CPU直接访问主存储
• Including the role of: 包括以下角色：
- random access memory (RAM) 随机存取存储器 (RAM)
- read only memory (ROM) 只读存储器 (ROM)
• Including why a computer needs both RAM and ROM, and the difference between them 包括为什么计算机需要 RAM 和 ROM，以及它们之间的区别

• Primary memory：主存储器（一级存储器），指位于计算机内部的、可直接与CPU形成联系的存储装置。属于广义上内存的一部分（广义上的内存包括主存和cache缓存）。
  • CPU可使用主存来存储一些暂时需要存放的数据、应用和服务。
  • Primary memory主存的分类：
    • random access memory (RAM) 随机存取存储器
    • read only memory (ROM) 只读存储器
  • 分类结构图如下图所示：

• Random access memory (RAM)：随机存取存储器，指可以written写入也可以read读取的主存。RAM也是狭义上的内存。
  • RAM特征：
    • RAM主要用于存储当前正在使用的数据。
    • RAM是volatile不稳定的，一旦断电，则存储其中的全部数据都会被删除。
  • RAM的分类：
    • Dynamic RAM（DRAM）：动态RAM，指以利用电容存储电荷的方式存储数据的RAM。因为其需要不断刷新、充电的特点，被称为“动态”。
      • 注意：DRAM由众多capacitors电容器和transistors晶体管组成。Capacitors电容器用于存储数值（数字0或1），transistors晶体管用于控制电流回路来读取或改变电容器内的数值（类似于开关）。
      • 注意：因为晶体管存在“漏电”现象，因此需要频繁为其充电，否则数据就会出现损毁或丢失。
      • 使用DRAM的好处：
        • they are much less expensive to manufacture than SRAM. 便宜
        • they consume less power than SRAM. 耗能低
        • they have a higher memory capacity than SRAM. 内存容量更大
    • Static RAM（SRAM）：静态RAM，指以利用触发器存储数据的RAM。因为其只要通电即可保存数据，无需刷新，被称为“静态”。
      • 注意：SRAM存取速度非常快（显著高于DRAM），用于计算机中需要高速存取数据的位置，比如缓存。

• read only memory (ROM)：只读存储器，指无法written写入、只能被read读取的主存。
  • ROM特征：
    • 稳定，只需通电就能够持续保存数据，无需频繁充电。
    • 数据能够长期保存。
    • 数据是只读的，无法写入。
    • ROM通常用于存储计算机首次通电开启时需要用到的数据，如BIOS。

3.3.2 Understand what is meant by secondary storage 理解二级存储的含义

• Secondary storage is not directly accessed by the CPU and is necessary for more permanent storage of data CPU不直接访问辅助存储，对于更永久的数据存储是必需的

• Secondary memory：二级存储器（辅助存储器），指无法直接与CPU联系的存储装置。
  • 二级存储器的特征：
    • 稳定，不会因为断电而丢失数据。
    • 能够保存比主存更多的数据。
    • 从二级存储器中读取数据的时间比从主存中读取更长。
  • 常见例子：magnetic storage磁盘存储、solid state drives固态硬盘、optical media光盘等。【参考3.3.3】

3.3.3 Describe the operation of magnetic, optical and solid-state (flash memory) storage and give examples of each 描述磁、光和固态（闪存）存储的操作并举例说明

• Magnetic storage uses platters which are divided into tracks and sectors. Data is read and written using electromagnets 磁存储使用分为磁道和扇区的盘片。使用电磁铁读取和写入数据
• Optical storage uses lasers to create and read pits and lands 光存储使用激光创建和读取坑和平面
• Solid-state (flash memory) uses NAND or NOR technology. Transistors are used as control gates and floating gates 固态（闪存）使用NAND 或NOR 技术。晶体管用作控制门和浮动门

• Magnetic storage：磁盘存储。数据以digital format数字形式被存储于magnetic surfaces of platter磁盘的表面。通常每张磁盘有两面可用于存储。
  • Track：磁道，指磁盘表面上可用于存储数据的每一条轨迹。如下图所示。
  • Sector：扇区，指磁盘上划分的区域。磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，硬盘的读写以扇区为基本单位。如下图所示。

• • 磁盘读写过程：磁盘以多层同轴排列，每层都有read-write head读写头，可以访问磁盘上所有位置。如下图所示。

• • 磁盘常见问题：
    • Latency延迟问题：因为读写头需要一定时间查找并到达磁盘上相应位置，因此存在一定的延迟。
    • Fragmented碎片化问题：当删除文件后，原文件之后的存储数据不会自动前提。因此，后续存储文件如果足够大，本着同一文件尽量连续存储的原则，文件不会存入删除后的空余位置，而是重新寻找磁盘中足以装下该存储文件的新位置。久而久之，磁盘中会逐渐出现很多没有存储文件的空位置，这些被称为fragment碎片。碎片过多使得磁盘的空间被浪费，数据有时不得不分开存储，影响查找速度。
      • 解决方法：defragmentation碎片整理。通过运行碎片整理软件或程序（通常计算机系统自带），能够将同一文件的数据尽量整合在一起，释放碎片空间，提升磁盘使用效率。
        • 碎片整理前的文件存储情况如图所示：

• • • • • 碎片整理后的文件存储情况如图所示：

• Solid state drives（SSD）：固态硬盘，是通过控制NAND或NOR芯片中的electrons电子移动来存储数据的存储装置。
  • SSD存储原理：
    • SSD使用许多tiny transistors小晶体管来记录0或1的二进制数据。
    • 小晶体管分为floating gate浮动门（浮栅）和control gate控制门两种，这两个晶体管组成一个记录单元，记录一个二进制数字。
    • 给控制门加电压时，电子被吸引，进入浮动门，此时的状态被记录为二进制数字0。反之，如果给基底加电压，电子离开浮动门，此时的状态被记录为二进制数字1。
  • SSD存储原理如下图所示：

• • SSD技术相较于磁盘技术的优点：
    • they are more reliable (no moving parts to go wrong). 更可靠（不会出现移动部件故障）
    • they are considerably lighter (which makes them suitable for laptops). 更轻（适合笔记本电脑）
    • they don’t have to ‘get up to speed’ before they work properly. 无需前期提速就能达到正常运转状态
    • they have a lower power consumption. 较低的能耗
    • they run much cooler than HDDs (both these points again make them very suitable for laptop computers). 运行温度更低（适合笔记本电脑）
    • because of no moving parts, they are very thin. 没有移动部件，更薄
    • data access is considerably faster than HDD. 数据访问更快
  • SSD技术的缺点：
    • Endurance续航能力差，每天能写入的数据量有限。（虽然近些年已经大幅改善）
    • 无法over-write覆写数据。（必须先擦除数据，然后再重新写入）
  • Memory sticks/flash memories：记忆棒/闪存，指使用固体硬盘的技术、通常用USB接口连接计算机的可移动存储装置。
    • 记忆棒非常小，便于携带，一般用于数据备份。

• Optical media：光学媒体，指使用laser light激光来读写磁盘表面记录的数据的存储装置，如光盘、蓝光盘等。
  • CD disks：CD，指使用wavelength波长为 780 纳米的激光，将数据记录在一层薄的金属合金或光敏有机材料上的存储装置。
    • 存储原理：
      • 当磁盘旋转时，optical head光学头移动到laser beam激光束接触的磁盘表面上的点，并沿着螺旋轨道由中心向外移动。
      • 数据以“pits坑”和“lands平面”在螺旋轨道上存储，“坑”代表1（无法接收到激光反射），“平面”代表0（能够接收到激光反射）。
      • 当光盘在进行数据录入时，激光会对在基板上涂的有机染料进行烧蚀，形成一个接一个的“坑”。
    • 存储原理如下图所示：

• • • CD的分类：
      • ‘R’：只能写入数据一次，之后仅能读取。
      • ‘RW’：可以多次写入或读取。这种类型的CD使用的材料是特殊的碳性物质，通过改变碳性物质的极性来表示0和1。
  • DVD disks：DVD，指使用wavelength波长为 650纳米的激光，将数据记录在双面磁盘表面的存储装置。
    • DVD采用dual-layering双面存储，大大增加了storage capacity存储容量。
    • DVD 的数据传输速率为 10 Mbps。
    • DVD可存4.7GB的数据。
    • 读取第二面是采用红色激光聚焦在与第一面相差极小的空位上来进行的。如下图所示：

• • Blu-ray discs：蓝光光盘，指使用更短波长的蓝光（405纳米），将数据记录在磁盘表面的存储装置。
    • 使用蓝光意味着“pits坑”和“land平面”可以小得多，因此蓝光可以存储比普通DVD多五倍的数据。（单面蓝光光盘可存27GB的数据，双面蓝光光盘可存50GB的数据）
    • 单层蓝光光盘使用1.2毫米的聚碳酸酯盘；双层蓝光光盘使用两个0.6毫米厚的磁盘夹层（即共1.2毫米）
    • 蓝光光盘自动带有secure encryption system安全加密系统，有助于防止盗版和侵权。（但一般仅限大企业出版的蓝光光盘）
    • 蓝光光盘的数据传输速率为 36 Mbps。
  • 各类光盘的对比表格：

3.3.4 Describe what is meant by virtual memory, how it is created and used and why it is necessary 描述什么是虚拟内存，它是如何创建和使用的，以及为什么需要它

• Pages of data are transferred between RAM and virtual memory when needed 数据页在需要时在 RAM 和虚拟内存之间传输

• Virtual memory：虚拟内存，指使用secondary storage二级存储器或软件中的空间来弥补RAM不足的内存管理机制。
  • 注意：当没有虚拟内存时，如果需要运行的程序或数据超过了RAM能够处理的存储空间，可能会引起system crash系统崩溃。如下图所示：

• • 虚拟内存运行原理：
    • 在有虚拟内存时，如果需要运行的程序或数据超过了RAM能够处理的存储空间，则会将一部分程序先放入HDD磁盘或SSD固态硬盘内等待，然后所有程序轮流使用RAM，以完成所有程序的运行。如下图所示：

• • • • 注意：一开始的时候，RAM分配给程序0~3，程序4没有分配到RAM的使用空间，暂时进入HDD/SSD等待。运行一段时间后，程序0移入HDD/SSD，释放RAM的空间，程序4进入RAM开始运行。所有程序轮流使用RAM，直到完成运行。
  • Page：页，指进出virtual memory虚拟内存的fix-length固定长度的连续block of data数据块。页是虚拟内存进出的标准单位。
  • 使用虚拟内存的好处：
    • programs can be larger than physical memory and still be executed. 即使程序所需空间大于物理内存容量，仍可以运行
    • there is no need to waste memory with data that isn’t being used (e.g. during error handling). 无需为不使用的数据浪费内存
    • it reduces the need to buy and install more expensive RAM memory (although as mentioned earlier there are limits to the value of doing this). 无需购买安装昂贵的内存条
  • 使用虚拟内存的问题：
    • Disk thrashing：磁盘抖动（使用HDD磁盘时会遇到该问题）。如果数据频繁进出虚拟内存，就会导致数据头频繁移动，降低计算机处理速度，也会减少硬盘使用寿命。
  • 解决disk thrashing磁盘抖动的方法：
    • 设置thrash point。当数据进出的频率达到该点时，暂停进程。
    • 安装更多RAM，扩大内存（减少使用虚拟内存的可能性）。
    • 减少swap file交换文件的大小。
    • 使用SSD固态硬盘代替HDD磁盘。

3.3.5 Understand what is meant by cloud storage 了解云存储的含义

• Cloud storage can be accessed remotely in comparison to storing data locally 与在本地存储数据相比，可以远程访问云存储
• Physical servers and storage are needed to store data in cloud storage 需要物理服务器和存储来将数据存储在云存储中

• Cloud storage：云存储，指数据被存放在服务器上，可以远程访问的存储方式。
  • 云存储的分类：
    • Public cloud：公共云存储，存储数据的客户与云存储的提供商不是同一家企业。
    • Private cloud：私有云存储，存储数据的客户与云存储的提供商属于同一家企业。
    • Hybrid cloud：混合云存储，同时使用公共云存储和私有云存储两种存储方式，敏感、重要的数据存放在私有云存储，其他数据存放在公共云存储。

3.3.6 Explain the advantages and disadvantages of storing data on the cloud in comparison to storing it locally 解释将数据存储在云端与本地存储相比的优缺点

• 使用云存储的好处：
  • customer/client files stored on the cloud can be accessed at any time from any device anywhere in the world provided internet access is available. 只要能联网，人们就能随时随地访问云存储中的文件
  • there is no need for a customer/client to carry an external storage device with them, or even use the same computer to store and retrieve information. 无需随身携带外部存储设备，甚至无需使用同一台计算机来存储和检索信息
  • the cloud provides the user with remote back-up of data with obvious benefits to alleviate data loss/disaster recovery. 云存储为用户提供了数据的远程备份，在减轻数据丢失/灾难恢复方面具有明显的优势
  • if a customer/client has a failure of their hard disk or back-up device, cloud storage will allow recovery of their data. 如果客户的硬盘或备份设备出现故障，云存储将允许恢复他们的数据
  • the cloud system offers almost unlimited storage capacity. 云系统提供几乎无限的存储容量

• 使用云存储的问题：
  • if the customer/client has a slow or unstable internet connection, they would have many problems accessing or downloading their data/files. 如果互联网连接速度慢或不稳定，则在访问或下载文件时会遇到问题
  • costs can be high if large storage capacity is required; it can also be expensive to pay for high download/upload data transfer limits with the customer/client internet service provider (ISP). 如果需要大存储容量，成本可能会很高；高速上传/下载的网费可能也很昂贵
  • the potential failure of the cloud storage company is always possible - this poses a risk of loss of all back-up data. 云存储企业可能会犯错误，导致丢失所有备份数据
  • data security数据安全问题（数据可能泄露或被篡改）

3.4 Network hardware 网络硬件

• 大纲要求

3.4.1 Understand that a computer needs a network interface card (NIC) to access a network 了解计算机需要网卡（NIC）才能访问网络

• network interface card (NIC)：网络接口卡（简称“网卡”），指将device设备连接到network网络上的硬件设备，通常是circuit board电路板或chip芯片的形式。
  • 注意：NIC中包含着MAC地址【参考3.4.2】。
  • 注意：Wireless network interface cards/controllers (WNICs)无线网卡，作用与NIC类似，用于将设备连接到无线网络。

3.4.2 Understand what is meant by and the purpose of a media access control (MAC) address, including its structure 理解媒体访问控制 (MAC) 地址的含义和用途，包括其结构

• A network interface card is given a MAC address at the point of manufacture 网络接口卡在制造时被赋予一个 MAC 地址
• MAC addresses are usually written as hexadecimal MAC地址通常写成十六进制
• MAC addresses are created using the manufacturer code and the serial code MAC 地址是使用制造商代码和序列号创建的

• media access control (MAC) address：媒体访问控制地址（MAC地址），是制造网卡时为其设定的地址，该地址是唯一的（unique identifier）。
  • 注意：MAC地址是物理地址，与网卡硬件绑定，如果网卡更换，则MAC地址也会发生更换。（一台计算机可能装有多个网卡或无线网卡，因此可能会有多个MAC地址。）
  • MAC地址的写法：MAC地址由48位二进制码组成，为了表达方便，通常写成六个十六进制数值。其中前三个十六进制数值代表制造商的代码，后三个十六进制数值代表设备序列号。如下图所示：

• • MAC地址的分类：
    • Universally Administered MAC Address (UAA)：通用MAC地址，指制造商在生产网卡时为其设置的MAC地址。
    • Locally Administered MAC Address (LAA)：本地管理的MAC地址。有时候需要将通用MAC地址更换为本地管理的MAC地址。具体原因可能包括：
      • 大型机系统上使用的某些软件需要设备的所有MAC地址都符合严格的格式，因此可能需要更改某些设备的 MAC 地址以确保它们遵循正确的格式。
      • 可能需要绕过路由器或防火墙上的 MAC 地址过滤器，只允许具有特定格式的 MAC 地址通过。如果 MAC 地址不符合正确的格式，设备将被阻止。
      • 要通过某些类型的网络限制，可能需要模拟不受限制的 MAC 地址。因此，可能需要更改连接到网络的某些设备的 MAC 地址。

3.4.3 (a) Understand what is meant by and the purpose of an internet protocol (IP) address 了解互联网协议 (IP) 地址的含义和用途

• An IP address is allocated by the network and they can be static or dynamic IP地址由网络分配，可以是静态的也可以是动态的

• Protocol：协议，指通过网络进行数据传输时，数据的senders发送者与receivers接收者都必须遵守的rules规则。
  • 常见的协议包括IP、TCP、HTTP等。

• Internet protocol (IP) address：网络协议地址（IP地址），指网络中设备的唯一编号。
  • 注意：在同一网络中，IP地址是唯一的。但更换网络后，IP地址会发生变化。
  • 注意：IP地址是由router路由器分配的。【参考3.4.4】
  • IP地址的分配情况：
    • Static IP：静态IP地址，指不会发生变化的IP地址。
    • Dynamic IP：动态IP地址，指设备每次登录网络时都会发生变化的IP地址。
      • 注意：动态IP地址由dynamic host configuration protocol（DHCP）动态主机配置协议进行分配，通过回收不再需要的IP地址并分配给新登录的设备，提升IP地址的使用效率。

• 使用静态IP地址的好处：
  • since static lP addresses don't change, they allow each device to be fully traceable. 可以充分追踪每个设备。
  • allow for faster upload and download speeds. 上传和下载速度更快。
  • information is always available. 信息可以一直保持可用。
• 使用静态IP地址的问题：
  • more expensive to maintain since the device must be constantly running. 更贵（可能需要向网络供应商付费申请）

• 使用动态IP地址的好处：
  • greater privacy since they change each time a user logs on. 更好的隐私性（每次地址会变化）
• 使用动态IP地址的问题：
  • dynamic IP addresses can be an issue when using, for example, VolP since this type of addressing is less reliable as it can disconnect and change the lP address causing the VolP connection to fail. IP的变化可能会引起一些应用的连接错误

3.4.3 (b) Understand that there are different types of IP address 了解IP地址的不同类型

• Including the characteristics of and differences between IPv4 and IPv6 包括IPv4和IPv6的特点和区别

• IP地址的分类：
  • IPv4：网际协议版本4，由32位二进制码组成，分为四组八位二进制码书写。为了方便阅读与记忆，写成四个由点隔开的十进制数，如254.25.28.77。
  • IPv6：网际协议版本6，由128位二进制码组成，为了方便书写，写成八组十六进制数值（由冒号隔开），如A8FB:7A88:FFF0:0FFF:3D21:2085:66FB:F0FA。

• IPv6相较于IPv4的优点：
  • Removes the risk of IP address collisions. 消除 IP 地址冲突的风险
  • Has built-in authentication checks. 有内置的身份验证检查
  • Allow for more efficient packet routes. 能够规划更有效的数据包传输路线。

3.4.4 Describe the role of a router in a network 描述路由器在网络中的作用

• A router sends data to a specific destination on a network 路由器将数据发送到网络上的特定目的地
• A router can assign IP addresses 路由器可以分配IP地址
• A router can connect a local network to the internet 路由器可以将本地网络连接到互联网

• Router：路由器，指将数据从一个网络转换到另一个网络的转换装置。由于两个网络之间的protocol协议、format格式可能不同，因此需要路由器对数据进行转换，以便让新网络能够理解和处理数据。如下图所示：

• • 注意：路由器可以将本地网络连接到互联网。网线插入路由器的WAN口以接通互联网，而本网络内的各个计算机和设备则连接到路由器的LAN口。
  • 注意：路由器可以分配IP地址。【参考3.4.3(a)】
  • 注意：路由器可以进行wired有线连接或wireless无线连接。
  • 注意：Broadband routers宽带路由器通常前面会架设firewall防火墙以保护本地计算机的安全。
  • 注意：在进行数据的packet switching分组交换时，通过多个路由器的传送，数据最终能够传递到目标位置。【参考2.1.1(c)】