2020—2021—1学期 20202408《网络空间安全导论》第二周学习总结
学习内容：《计算机科学概论》第4、5章
第4章： 门与电路
在这一章中，我们将探讨计算机如何使用电信号来表示和操作前章所提及的二进制值。
4.1 计算机和电学
- 任何电信号都有电平。一般说来，0-2V的电压是低电平，有二进制数字0表示，2~5V范围内的电压是高电平，由二进制数字1表示。计算机中的信号被限制在这两个范围之内。
门：对电信号执行基本运算的设备，接受一个或多个输入信号，生产一个输出信号。
电路：相互关联的门的组合，用于实现特定的逻辑函数
- 描述门和电路的表示法有三种：
布尔代数：表示二值逻辑函数的数学表示法
逻辑框图：电路的图形化表示，每种类型的门有自己专用的符号
真值表：列出了所有可能的输入值和相关的输出值的表
4.2 门
非门：接受一个输入值，生成一个输出值。对输入值求逆，有时又叫作逆变器。X＝A’
与门：接受两个输入信号，生成一个输出信号。输出值由输入值决定。如果与门的两个输入信号都是1，那么输出是1；否则，输出是0。X＝A·B
或门：接受两个输入信号，生成一个输出信号。如果这两个输入值都是0，那么输出是0；否则，输出是1。X＝A+B
异或门：接受两个输入信号，生成一个输出信号。如果异或门的两个输入相同，则输出为0；否则，输出为1。X=A⊕B
（当两个输入信号都是1时，或门生成1，而异或门生成0）
与非门：接受两个输入信号，生成一个输出信号。与门的对立门，如果让与门的结果经过一个逆变器（非门），得到的输出和与非门的输出一样。X=（A·B）’6
或非门：接受两个输入信号，生成一个输出信号。或门的对立门，如果让或门的结果经过一个逆变器（非门），得到的输出和与或门的输出一样。X=（A+B）’
4.2.6 门的处理
非门将对它的唯一输入值求逆
如果两个输入值都是1，与门将生成1
如果一个输入值是1，或者两个输入值都是1，或门将生成1
如果只有一个输入值是1，而不是两个，异或门将生成1
与非门生成的结果和与门生成的相反
或非门生成的结果和或门生成的相反
4.3 门的构造
晶体管：作为导线或电阻器的设备，由输入信号的电平决定它的作用。
半导体：既不是良导体也不是绝缘体的材料，如硅。
- 晶体管的具有三个接线端：源极、基极和发射极。
源极：制造高电平，约5伏。
发射极：通常被连接到地线。
基极：基极值控制的门决定了是否把源极接地。
*如果源极信号接地了，它将被降低到0伏。如果基极没有使源极信号接地，院级信号依然是高电平。
*晶体管只能是 开（生成高电平输出信号）或关（生成低电平输出信号）两种状态，由基极电信号决定。
4.4 电路
组合电路：输出仅由输入值决定的电路
时序电路：输出是输入值和电路当前状态的函数的电路
4.4.1 电路
电路等价：对应每个输入值组合，两个电路都生成完全相同的输出。
布尔代数性质：
1）交换律：AB=BA（与门）、A+B=B+A（或门）
2）结合律：（AB）C=A（BC）（与门）、（A+B）+C=A+（B+C）（或门）
3）分配律：A（B+C）=（AB）+（AC）（与门）、A+（BC）=（A+B）（A+C）(或门)
4）恒等：A1=A（与门）、A+0=A（或门）
5）补：A（A’）=0（与门）、A+（A’）=1（或门）
6）德·摩根定律：（AB）’=A’ORB’（与门）、（A+B）’=A’B’（或门）
4.4.2加法器
加法器：对二进制执行加法运算的电路
半加器：将两个一位二进制数相加。它具有两个输入和两个输出（分别是和、进位）。
全加器：将两个一位二进制数相加，并根据接收到的低位进位信号，输出和、进位输出。全加器的三个输入信号为两个加数A、B和低位进位Cin。
多路复用器：是一种设备，能接收多个输入信号，按每个输入信号可恢复方式合成单个输出信号。复用器是一种综合系统，通常包含一定数目的数据输入，有一个单独的输出。
4.4.3 多路复用器
多路复用器：使用一些输入控制信号决定用哪条输入数据线发送输出信号的电路。
4.5存储器电路
S-R锁存器：. S'=0，R'=1：无论触发器原来处于何种状态，由于S=1，则Q=1，Q非=0，触发器处于“1”态触发器的状态是由S所决定的。
S'=1，R'=0：无论触发器原来处于何种状态，由于R=1，则Q=0，Q非=1，触发器处于“0”态。触发器的状态是由R所决定的。
S'=1，R'=1：触发器维持原来状态不变。
4.6集成电路
集成电路：又称芯片，是嵌入了多个门的硅片。
4.7 CPU芯片
CPU是一种具有输入线和输出线的高级电路。
每个CPU芯片都有大量的引脚，计算机系统的所有通信都是通过这些引脚完成的。
第5章： 计算部件
5.1 独立的计算机部件
- 五大组成部分:
控制器（CU）：计算机的控制系统
运算器(ALU)：计算机的运算系统
存储器(Memory)：计算机存储系统
输入设备(Input)：键盘、鼠标、麦克风、摄像头、触摸屏等
输出设备(Output)：显示器、音响、打印机等
- 三大核心组件:
CPU：控制器+运算器
内存：短期记忆
硬盘：永久保存
5.2 存储程序的概念
5.2.1 冯·诺依曼体系结构
1）组成部件：
算术逻辑单元: 用于完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送等数据加工处理
（算术逻辑单元和控制单元组成计算机的中央处理器。）
寄存器：CPU中的一小块存储区域，用于存储 中间值或特殊数据。
输入单元： 用于将数据或程序从外部世界输入到计算机中。
输出单元: 用于把存储在内存中的数据打印出来或显示出来，或者把存储在内存或其他设备中的信息制成一个永久副本。
控制单元: 用于控制程序的执行，是计算机的大脑。控制器根据存放在存储器中的指令序列进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的工作流程。
控制单元：控制其他部位的动作，从而执行指令序列的计算机部件。
指令寄存器：存放当前正在执行的指令的寄存器。
程序计数器:存放下一条要执行的指令的地址的寄存器。
中央处理器：算术逻辑单元和控制单元的组合，是计算机用于解释和执行指令的“大脑”。
总线宽度：可以在总线上并行传输的位数。
缓存：一种用于存储常用数据的小型高速存储器。
流水线：一种将指令分解为可以重叠执行的小步骤的技术。
主板：个人计算机的主电路板。
5.2.2 读取-执行周期
读取下一条指令：给程序计数器加1，把下一条指令的地址存入程序计数器。
译解指令：指令将被译解成控制信号。
如果需要，获取数据：被执行的指令要完成，有可能需要额外的内存访问
执行指令：执行指令将信号发送给算术逻辑单元以执行处理。
（当执行完成时，下一个周期开始）
5.2.3 RAM和ROM
RAM是每个存储单位都能被直接访问的内存。ROM中的内容不能更改，存储操作不能改变它们。
5.2.4 二级存储设备
1.磁带：
磁带驱动器：磁带的任何物理移动都是费时的。
2.磁盘
磁盘驱动器：CD播放器和磁带录音机的混合物。
磁道：磁盘表面的 同心圆。
扇区:磁道的一个区。
块：存储在扇区中的信息。
寻道时间：读写头定位到指定的磁道所花费的时间。
等待时间：把指定的扇区定位到读写头之下所花费的时间。
存取时间：开始读取一个数据块之前花费的时间，即寻道时间和等待时间之和。
柱面：所有磁盘表面的同心磁道的集合。
3.CD和DVD
CD：光盘的缩写。
DVD：最常见的一种拷贝电影的形式，它代表数字化多功能光盘，由于它具有大容量存储能力，因此非常适合记录音频和视频结合的多媒体文件。
*DVD的多种存在形式：DVD+R、DVD-R、DVD+RW、DVD-RW。
4.闪存：一种可写入可擦除的非易失性计算机存储器。
5.2.5触摸屏
几种技术:电阻式触摸屏,电容式触摸屏,红外触摸屏,表面声波触摸屏
5.3 嵌入式系统
嵌入系统作为大型系统的一部分，是为完成小范围功能而专门设计的计算机。
5.4 并行体系结构
5.4.1 并行计算
1、并行计算有四种一般的形式：位级、指令级、数据级和任务级。
位级的并行是基于增加计算机的字长。
指令级的并行是基于程序中的某些指令能够同时独立地进行。
数据级并行基于同一组指令集能同时对不同的数据集执行。
任务级的并行是基于不同的处理器能在相同或不同的数据集上执行不同的操作。
同步处理:多处理器将同一个程序应用于多个数据集
共享内存并行处理器:多个处理器共享整体内存的情况
5.4.2 并行硬件分类
多核处理器：有多个独立的核心，它们通常是中央处理。
超标量处理器：能向执行单位发出多条指令。
多核心处理器：能向不同的执行单元发出不同的指令。
对称多处理器包含多个相同的核心。
大规模并行处理器：由许多能访问网络的处理器通过专用网络相连而形成的计算机。