A-level 計算機/WJEC (Eduqas)/元件 2/硬體和通訊
CPU（中央處理器）執行計算機中發生的所有指令。它也被稱為處理器或微處理器（單個積體電路）。處理器的強大意味著它是“計算機的大腦”，它執行所有算術和邏輯運算，以便可以執行任何指令。透過改進其結構（其架構），在同一晶片上放置更多電晶體並提高其指令的效率，可以使 CPU 更有效率。
馮·諾依曼體系結構是一種計算機體系結構，由數學家和物理學家約翰·馮·諾依曼構建。他說，CPU 有 3 個部分：算術邏輯單元、暫存器和控制單元。
ALU 負責任何算術計算，例如浮點乘法和整數除法以及邏輯計算，例如大於和小於之類的比較測試。ALU 充當計算機輸入和輸出的管道。
控制單元 (CU) 管理機器程式碼的執行，這是透過透過控制匯流排（參見圖）向計算機的其餘部分發送控制訊號來完成的。CU 根據 CPU 的內部時鐘同步指令的執行。
暫存器是用於當前正在執行的指令所需的任何儲存的小塊記憶體。這是必要的，因為指令只能透過首先將它們載入到其相關的暫存器中來執行。暫存器有兩種型別：通用暫存器和專用暫存器。通用暫存器可用於開發人員儲存他們想要的任何值，而專用暫存器具有特定的用途。例如，累加器 (ACC) 位於 ALU 中，並存儲任何計算的結果。值儲存在 ACC 中，並用於需要完成的下一個計算，就像傳統的計算器一樣。其他專用暫存器用於 FDE 週期
- PC（程式計數器）：用於儲存要執行的下一條指令。
- MAR（記憶體地址暫存器）：用於儲存要執行的下一條指令所在的記憶體地址。
- MDR（記憶體資料暫存器）：用於儲存要執行的記憶體地址處的資料。
- CIR（當前指令暫存器）：儲存當前正在執行的指令的資料。
CPU 比RAM（隨機存取儲存器）快得多。指令的執行速度將快於它們的獲取速度，從而導致處理器有時不執行任何指令。這被稱為馮·諾依曼瓶頸。
取指、譯碼、執行 (FDE) 週期是從主記憶體載入指令到暫存器並最終執行該指令的過程。
- 程式計數器的內容被讀取並載入到記憶體地址暫存器中。
- 然後程式計數器加 1，指向要執行的下一條指令。
- 讀取 MAR 中的指令，並將該記憶體地址處的資料複製到記憶體資料暫存器中。
- MDR 的內容被複制到當前指令暫存器中，在那裡執行發生。
跳轉指令會中斷流水線，因為這意味著程式將以非順序方式執行，因為需要執行不同的指令，而不是逐個執行它們。
由於 CPU 和 RAM 之間速度不匹配，因此使用了流水線過程。CPU 比 RAM 快得多，因此它執行指令的速度快於從 RAM 載入下一條指令的速度。因此，它什麼也不做，我們稱之為“空閒”。為了解決這個問題，CPU 會在執行時追溯地獲取下一條指令，以避免此問題。由於在 FDE 週期中使用了專用暫存器，因此可以進行流水線過程。
快取是 CPU 的一種儲存形式。由於從 RAM 中獲取資料要慢得多，因此使用快取記憶體，它位於 CPU 本地，容量小，但訪問速度很快。由於快取記憶體比 CPU 快得多，因此它非常昂貴。但快取記憶體是有益的，因為它透過其區域性性解決了馮·諾依曼瓶頸問題 - 本質上充當“主記憶體和 CPU 之間的中間人”。快取記憶體儲存所有經常訪問的資料，這意味著由於快取與 CPU 的區域性性和非常快的速度，可以快速訪問這些資料。
快取命中與未命中
[edit | edit source]CPU 每次需要資料時，都會檢查快取記憶體以檢視資料是否可用。如果需要的資料存在於快取中，則將訪問它。這被稱為“快取命中”。但如果 CPU 需要的資料不在快取記憶體中，則需要從主記憶體（RAM）中獲取資料。這被稱為“快取未命中”。
80/20 原則
[edit | edit source]80/20 原則也適用於計算，在程式執行方面。程式執行所需的時間稱為執行時間。程式的大部分執行時間只花費在利用 20% 的程式碼上。其餘 80% 的時間主要花在執行重複程式碼（如迴圈）上。這意味著，如果程式需要執行的 20% 程式碼位於快取記憶體中，則不需要訪問主記憶體，並且由於快取和 CPU 的速度優勢，程式將執行得更快。
快取級別
[edit | edit source]快取位於不同的級別。這些級別代表快取與 CPU 的距離，即其區域性性。第一級通常嵌入到 CPU 中，速度非常快，但容量很小。第二級容量略大，但執行速度稍慢，通常位於 CPU 上，但有時也位於 CPU 附近的一個單獨晶片上。第三級用於提高第一級和第二級快取的效能。
並行處理
[edit | edit source]如今，我們已經達到了 CPU 設計最佳化所能達到的物理極限。為了使 CPU 更快，我們現在有了多核處理器。由於 AMD 的 Ryzen 晶片，價格更實惠的 CPU 出現，如今擁有六核系統並不少見。在並行處理中，多個處理單元協同處理一個任務，共享所需的處理能力負載。為此，單個任務被拆分成更小的“塊”，稱為執行緒，這些執行緒被分配給每個處理單元，這些處理單元立即執行執行緒。這兩個處理單元需要相互通訊，以確保它們始終擁有最新的資料來處理。
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| 更快的執行，因為更多指令在更短的時間內執行。 | 編寫利用多核系統的程式要困難得多。 |
| 每個任務都共享，因此沒有一個處理單元比其他處理單元負載更重。 | 資料必須是最新的，處理單元需要根據其他處理單元的操作更改其計算。 |
| 無法拆分順序任務。 | |
| 併發意味著要處理更多軟體錯誤。 |
輸入裝置
[edit | edit source]輸入裝置透過使用者互動將資訊新增到系統中。
光學字元識別
[edit | edit source]光學字元識別 (OCR) 是一種後處理步驟，使用某種掃描器將印刷文字文件轉換回數字文件。這是透過一個包含所有可能字元的內部資料庫（A、B、C、D、*、!、/、1、2、3、4 等）完成的，這些資料庫與接收到的任何輸入（即印刷文件上的字元）進行比較。
光學標記識別
[edit | edit source]光學標記識別 (OMR) 基於預定義的表格，使用者可以在表格中標記選項。看到的第一個選項被記錄為使用者選擇的選項，這在選擇題考試或非常古老的紙質登記簿中很常見。
磁性墨水（字元）識別
[edit | edit source]磁性墨水（字元）識別 (MIR/MICR) 是一種輸入形式，使用含有氧化鐵的特殊墨水。這可以防止任何人篡改檔案，因為普通墨水不含這種化學物質。如今，這種方法的唯一用例是銀行支票，這是因為閱讀器成本很高。
觸控式螢幕
[edit | edit source]如今用於二合一筆記型電腦/平板電腦以及普通手機和平板電腦。它們基於座標系統，並在使用者用手指觸控的任何網格位置記錄點選，並將 x 和 y 座標傳送回系統。
電容式
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電容式觸控式螢幕是當今最常用的，位於所有手機以及幾乎所有昂貴的科技裝置中。這些觸控式螢幕利用了人類在觸控物體時可以導電的原理。因此，無論何時有人按下螢幕，即使是在多個地方，都會記錄電壓。這有一個缺點，即無法使用觸控筆或手套，您需要這些產品的專業版本。
電阻式
[edit | edit source]電阻式觸控式螢幕可以在舊裝置或更便宜的科技裝置（如家庭氣象站）中找到。它們由兩層薄透明片組成，當這些薄片接觸在一起時，就會記錄點選。這些型別的觸控式螢幕必須施加相當大的壓力才能記錄點選。
語音式
[edit | edit source]語音輸入
[edit | edit source]利用一組系統可以識別出的預定義命令。例如，“給我最好的朋友 Linus 打電話”。
詞彙聽寫
[edit | edit source]這些輸入系統可以識別出人們說的一系列詞語，並且可以透過專業詞典（如醫學詞典）進行擴充套件。如今，它們通常用於透過按鍵盤上的麥克風按鈕來聽寫文字。
聲紋識別
[edit | edit source]此方法記錄某個人的聲紋，並將其與另一個預先錄製好的聲紋進行比較。如果匹配，則可以授予某人訪問系統的許可權，例如銀行或高度安全許可室。
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| 比打字更快。 | 背景噪音。 |
| 無需學習打字。 | 由於人們有口音，會被誤解。 |
| 減少患上RSI（重複性勞損）的風險。 | 有些人有口吃或身體不適，因此可能會被誤解。 |
| 減少打字錯誤。 | 無法保護資料隱私。 |
| 需要更少的物理空間。 | 例如“two”和“too”的異形詞，以及同音詞會被誤解。 |
| 殘疾人士可能更容易使用。 | |
| 可以在車內使用手機“擴音”。 | |
| 有些人覺得它比打字“更自然”。 |
用於儲存應用程式、文件和作業系統檔案。
硬碟 (HDD) 是一種容量相對較大、價格相對便宜的儲存裝置。硬碟在價效比方面取得了良好的平衡，但其在家庭桌上型電腦和筆記型電腦中的使用率正在下降。資料儲存在磁碟碟片上，並使用執行機構臂進行寫入和讀取。磁碟通電後旋轉，這使得執行機構臂能夠訪問整個磁碟碟片，因為它只能上下移動。磁碟碟片旋轉的速度以 RPM (每分鐘轉數) 衡量。執行機構臂在磁碟上感應磁通量，磁碟碟片上的氧化物保持此狀態，即 1 或 0 的二進位制資料。
基於 NAND 快閃記憶體的固態硬碟 (SSD) 現在已成為家庭桌上型電腦和筆記型電腦的常用裝置。與硬碟相比，固態硬碟的價效比更高，因為它們的長期執行成本更低，速度非常快，但目前高容量的固態硬碟價格相對昂貴。由於固態硬碟沒有移動的執行機構臂，因此它們既防震又防摔，而且體積小巧，便於攜帶。
儲存卡和 SD (安全數字) 卡使用快閃記憶體。因此，它們與固態硬碟非常相似。
光碟機，例如 DVD (數字影片光碟) 和 BD (藍光光碟)，透過使用雷射在磁碟上燒錄微小的凹痕來工作。這些凹痕和沒有凹痕的地方形成凹坑和凸起，它們代表著 0 和 1 的二進位制資料。為了讀取資料，雷射被指向磁碟並反射回來。這會導致干涉，這意味著凹坑/凸起可以被讀取。DVD ROM 的容量更大，有兩層，凹坑/凸起之間的距離更近，從而導致更高的容量。藍光光碟是目前這些光碟中唯一常見的型別，用於儲存高畫質 4K 電影。它們使用藍色的波長，波長更小，這意味著由於更多凹坑/凸起能夠容納在磁碟上，因此可以實現更高的容量。
碎片整理是指資料分散在整個儲存介質上。這種情況發生在傳統的硬碟上，因為許多讀寫操作意味著資料儲存在磁碟上的許多不同區域。這意味著資料訪問速度要慢得多，因為執行機構臂必須移動比必要更多的距離來訪問磁碟不同部分的資料，**檔案以非順序方式儲存**。為了解決這個問題，我們可以使用一種稱為碎片整理的過程。這是一款軟體，它會分析硬碟上的所有檔案，並將它們全部移動到彼此靠近的位置，儲存在同一軌道上。**這會加快訪問速度，因為資料現在以順序方式儲存**。
無法對固態硬碟進行碎片整理，並且預設情況下該功能被停用。但是，當您嘗試對固態硬碟進行碎片整理時，會執行一個名為 TRIM 的命令。這會稍微提高寫入操作，但只是微不足道地提高。對固態硬碟進行碎片整理不是一個好主意，因為 NAND 快閃記憶體每個驅動器區域只有大約 5,000 次讀寫迴圈。好處非常小，而操作成本超過了寫入速度微不足道的提升。
網路是相互連線的計算機集合。網路可以透過兩種方式建立：透過無線連結（使用 WiFi）和/或有線連結（使用乙太網線）。由於網路上有許多計算機，我們使用協議（一組允許兩種裝置相互通訊的既定規則），允許多個裝置相互通訊。
區域網 (LAN) 的規模較小，因為它佔用的地理區域較小，例如您的家庭網路、企業網路或大學網路。由於它們規模較小，因此它們本質上更安全，因為連線到它們上的客戶端數量較少。
廣域網 (WAN) 的規模較大，它佔用的地理區域較大，例如網際網路。廣域網本質上是不安全的，因為您會將自己暴露給網路上的任何其他客戶端，而這是一個問題，因為會有非常多的人。
客戶端-伺服器結構為連線到它的任何人提供服務。良好的例子是 Web 伺服器和檔案儲存伺服器，在這兩種情況下，檔案都會提供給連線到伺服器的任何客戶端。客戶端從伺服器請求資源，伺服器響應。該名稱區分了客戶端和伺服器，因為伺服器在集中式點擁有處理能力。
P2P（點對點）網路是指所有客戶端具有相同狀態的網路。每個客戶端被稱為“對等節點”。這種結構應用於種子下載，檔案在不同計算機之間共享。新的對等節點將從其他對等節點（接收）中下載檔案，當它們獲得所有檔案後，它們將向網路中的其他對等節點（傳送）播種，直到播種的對等節點離開網路（關閉應用程式或刪除種子）。
分散式處理是指計算機共同完成一個複雜的任務，例如在礦池中挖礦，計算結果將報告給負責整合和協調結果的對等節點，然後比特幣將分配給完成工作的計算機。
一組雙方都同意的規則，允許兩個裝置相互通訊。每個人都必須使用相同的協議集，否則響應將無法理解。
HTTP（超文字傳輸協議）：允許多媒體網頁透過網路傳輸，以原始作者期望的方式呈現。
FTP（檔案傳輸協議）：從一臺計算機下載/上傳檔案到另一臺計算機。
SMTP（簡單郵件傳輸協議）：在兩個郵件伺服器之間傳送電子郵件的標準。
IMAP（網際網路郵件訪問協議）：允許從郵件伺服器傳輸電子郵件到裝置。
DHCP（動態主機配置協議）：動態地將 IP 地址分配給客戶端，並將任何不再需要的地址返回到池中。
TCP（傳輸控制協議）：透過網路傳送資料包的方式。包括以校驗和形式的錯誤檢查機制。
UDP（使用者資料報協議）：透過網路傳送資料報，沒有錯誤檢查方法。
握手：兩個裝置建立通訊準備就緒的過程。這也是達成協議集的過程。
需要某些硬體才能連線到網路，才能將網路連線到網際網路或其他區域網。
網絡卡（網路介面卡）是連線到網路的必要元件，負責將資料包傳送到乙太網電纜。
無線網絡卡（無線介面卡）允許你連線到無線網路。有些主機板內建。
集線器允許許多裝置相互連線。每個資料包都會廣播到其他所有計算機，這顯然是一個安全問題，因為任何客戶端都可以竊聽。
交換機與集線器相同，但有一個包含所有連線計算機列表的路由表。這是透過 MAC（媒體訪問控制）地址完成的，每個網路硬體都是唯一的。
路由器將資料包路由到正確的目的地。它們根據 IP（網際網路協議）地址建立路由表，但與交換機不同，它們將區域網連線到另一個區域網/廣域網，例如網際網路。路由器比交換機功能更強大，因為路由器配備了強大的 CPU，可以連線許多裝置。