2020—2021—1学期20202405《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
今天自学了《计算机科学概论》第四五章，收获颇多，下面进行一个简单的学习总结。
第四、五章是《计算机科学概论》的第三部分——硬件层。硬件层由计算机系统的物理硬件组成。计算机硬件包括的设备有门和电路，它们都按照基本原理控制电流。正是这些核心电路使专用的硬件元件得以运转，因此硬件层对于计算机的重要性不言而喻。第四章主要介绍了如何控制底层电流来管理二进制数值，与“信息层”所学的知识联系尤为密切，第五章我们接触了这些技术利用的主要计算机部件，下面我系统的梳理一下我所学的知识。
第4章： 门与电路
本章的重点就是探讨计算机如何使用电信号来表示和操作二进制值。
4.1计算机和电学
首先我们应该掌握几个概念：
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，生成一个输出信号。
电路：相互关联的门的组合，用于实现特定的逻辑函数。
“在电路中，一个门的输出值通常会作为另一个门或多个门的输入值。电路中的电流由精心设计的相互关联的门逻辑控制”。
那么如果想要描述门和电路，我们有三种表示法：布尔表达式、逻辑框图、真值表，这三种方法虽然互不相同，但是却一样有效。
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，每种类型的门都有自己专用的符号。
真值表：列出了所有可能的输入值和相关的输出值的表。
大致了解了这三种概念之后，我认识了布尔代数的发明者——英国数学家George Boole，知道了这位真正的计算机科学的奠基人之一的主要事迹，我更加坚定了努力学习，开创事业的决心！
4.2门
关于“门”，书上有一段总述：
计算机中的门又叫作逻辑门，因为每个门都执行一种逻辑函数。每个门接受一个或多个输入值，生成一个输出值。由于我们处理的是二进制信息，所以每个输入值和输出值只能是0或1。门的类型和输入值决定了输出值。
下面我按照顺序梳理一下六个“门”的相关知识。
4.2.1非门
非门接受一个输入值，生成一个输出值。非门的输入值如果是0，那么输出值就是1；反之如果输入值是1，那么输出值就是0.所以非门有时候又叫作“逆变器”，因为它对输入值求逆。
非门的三种表示方法如下：（切记：这三种表示方法只是同一事物的不同表示！！！）
☀️在布尔表达式中：非操作求反的值之后的“ ’ ”标记表示，有时也用求反的值上面的横杠表示这个运算。X的值是对输入值A进行求反操作得到的。
☀️非门的逻辑框图符号是一个末端具有小圆圈（求逆泡）的三角形，输入和输出由流入和流出门的连接线表示。
☀️真值表真正定义了非门在各种情况下的行为。
4.2.2与门
与门接受的输入信号不是一个，而是两个。由两个输入信号的值决定输出信号。如果与门的两个输入信号都是1，那么输出就是1；否则输出就是0.
☀️在布尔代数中，与操作由点（·）表示，有时也表示为星号（** * **）。该运算符通常可以省略。
☀️因为有两个输入，所以与门的输入可能有四种0和1的组合。
如下表示：
0·0=0
0·1=0
1·0=0
1·1=1
4.2.3或门
和与门一样，或门也有两个输入。如果这两个输入值都是0，那么输出是0； 否则，输出是1.
布尔代数中，或操作由加号（+）表示。或门由两个输入，每个输入有两个可能的值，所以或门有四种输入组合，在真值表中有四行。
4.2.4异或门
如果异或门的两个输入相同，则输出为0；否则，输出为 1.
异或门与或门的区别：当两个输入信号都是1时，或门生成1，而异或门生成 0。
正规的或门又叫同或门，无论一个输入信号 是1，还是两个输入信号都是1，它都生成1。而只有当两个输入信号不同时，异或门才生成1。
4.2.5与非门和或非门
它们都接受两个输入值。与非门和或非门分别是与门和或门的对立门。在布尔代数中，通常没有表示与非门和或非门的专用符号，而是根据它们的定义来表示概念。也就是非门的布尔代数式是对与运算求逆。同样，或非门的布尔表达式是对或运算求逆。
学习了六种“门”，教材又带领我们系统回顾了这六种门，巩固我们的知识。
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。
门可以被设计为接受三个或更多个输入值。
对于逻辑框图符号，只需要在原始符号上加入第三个输入信号即可。但对于布尔表达式，则需要重复一次与操作，以表示第三个值。
4.3门的构造
门使用晶体管建立输入值和输出值之间的映射。
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。
我们知道，计算的发展很大程度上源于晶体管的发明。
我们首先应该学习一些基本的电学原理：
每个电信号都是有源的。如果电信号是接地的，那么它可以通过一条备选线路流入大地，在地上它是无害的。接地的电信号将被降低或减小到0伏。
晶体管的具有三个接线端：源极、基极和发射极。
其中：
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。
注：只用一个晶体管来制造非门。与非门需要两个晶体管。 或非门的构造也需要两个晶体管。与门需要三个 晶体管，其中两个用于构造与非门，一个用于构造非门。
4.4电路
电路可以分成两大类：一类是组合电路，一类是时序电路。
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。
我们照样能用布尔表达式、逻辑框图和真值表三种方法来描述整个电路的运作。
4.4.1组合电路
把一个门的输出作为另一个门的输入，就可以把门组合成电路。
在看完书上的真值表和逻辑框图等一系列演示之后，我们明白了：
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。
还有：
德·摩根定律：
1.对两个变量的与操作的结果进行非操作，等于对每个变量进行非操作后再对它们进行或操作。用电路术语来讲就是,对与门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把它们传入或门。
2.对变量的或操作的结果进行 非操作，等于对每个变量进行非操作后再对它们进行与操作，同样用电路术语来讲，对或门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把它们传入与门。
德·摩根定律和其他布尔代数性质为定义、管理和评估逻辑电路的设计提供了正规的机制。
4.4.2加法器
加法器：对二进制值执行加法运算的电路。
半加器：计算两个数位的和并生成正确进位的电路。
注意：半加器不会把进位考虑在计算之内。考虑进位输入值的电路称为“全加器”。
全加器：计算两个数位的和，并考虑进位输入的电路。
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
·数字电路的另一个重要作用是可以用来存储信息。
·类型之一：S-R 锁存器
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只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
我们用一则广告引出了以下知识：
酷睿2是一种处理器，DUO代表了单个芯片中集成了两个这样的处理器（称为“核”）。
GHz中的G是giga的简写，它是表示十亿的公制前缀。
Hz表示赫兹，是衡量每秒频率的单位。
在电脑中，会有一个称为时钟的部件集中生成一系列电脉冲，它用来保证所有动作的协调。
一个处理器需要访问内存和输入、输出设备，这是通过被称为总线的一组电线实现的。一台计算机有许多不同的总线，但是处理器和外界的主要连接线称为前端总线（FSB）。
缓存是通常集成在处理器芯片内部的小型、快速的存储介质。缓存空间越大，对其数据的访问就越慢，这会导致处理器 速度的降低。
LED正在代表微型荧光灯泡的使用。LED具有的优势是，它的寿命更长，而不会越来越暗，并且它不含有金属汞。
GPU是一个独立的计算机，它甚至比主流的处理器更强大，它的内存容量越大，越能更好地完成复杂图像处理、支持外部显示设备等工作。
Dual Channel DDR2(双通道DDR2）是内存的类型，它提供两个访问路径（成为通道）。
硬盘驱动器是计算机二级存储器（也称为辅助存储器）的通俗名称。
USB即通用串行总线，使用有线传输数据。
HDMI代表高清晰度多媒体接口，能够向诸如家庭影院系统发送或从外部接收数字视频和音频信号。
恶意软件是一种不良企图的软件，它形式多样，在检测软件会不断在文件系统和Web内容中检查这类程序并阻止它们运行。
顺便让我们总结一下经常在计算机中使用的前缀：
5.2 存储程序的概念
5.2.1冯·诺依曼体系结构
1.内存：存储单元的集合，每个存储单元有一个唯一的物理地址，这里用通称单元 。
可编址性：内存中每个可编址位置存储的位数。
2.算数/逻辑单元：执行算术运算（加法、减法、乘法和除法）和 逻辑运算（两个值的比较）的计算机部件。
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。
3.输入/输出单元
输入单元：接收要存储在内存中的数据的设备。现代的输入设备包括键盘、鼠标和超级市场使用的扫描设备。
输出单元：一种设备，用于把存储在内存中的数据打印或显示出来，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。
4.控制单元
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
处理周期的四个步骤如下：
1.读取下一条指令。
2.译解指令。
3.如果需要，获取数据。
4.执行指令。
5.2.3 RAM和ROM
RAM是随机存取存储器的缩写，这是一种每个存储单元（通常是1字节）都能被直接访问的内存。访问每个存储单元的本质是改写这个存储单元的内容。也就是说，把其他数据存入这个单元可改变其中的位组合。
ROM:只读存储器的缩写。其内容不能更改，是永久的，存储操作不能改变它们。
5.2.4 二级存储设备
1.磁带：
磁带驱动器通常用于备份（生成副本）磁盘上的数据，以防磁盘损毁。磁带的类型多种多样，从小型的 流式录音带，到大型的盘式磁带。其有一个严重的缺点，即如果要访问磁带中间的数据，则必须访问这个数据之前的 所有数据并丢弃它们。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是光盘的缩写。
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。
闪存也被用于制作固态硬盘，固态硬盘能够直接取代普通硬盘。它比普通硬盘速度更高、功耗更低，但是存储介质也最终被磨损。
5.2.5触摸屏
触摸屏是一种特殊的I/O设备，它显示文本和图形的方式与常规的显示器相同，此外，它还能探测到用户在屏幕上用手指或书写笔的触摸，并做出响应。
目前用来实现触摸屏的技术：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外触摸屏和表面声波触摸屏。
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。
但事实上，这一术语是很模糊的。
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。
2、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（CPU。
超标量处理器能向执行单位发出多条指令。
对称多处理器包含多个相同的核心。它们共享内存，并且通过一个总线相连。
大规模并行处理器是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。
最后用两张思维导图梳理一下吧~
这次学习过程并非一帆风顺。对于第四章：刚开始学习“门”的时候因为有一些高中物理的基础，所以细细揣摩后还是能明白的，但是到了后面，特别是电路以后，内容对于我来说便有一些吃力，甚至是晦涩难懂。只能上课的时候好好听讲，细细揣摩了。φ(≧ω≦*)♪
对于第五章：由于概念繁多，确实有些力不从心，只得慢慢牢记了！
但是本次学习的过程中，我也收获了很多知识，也更加熟练了自学的一些基本方法。同时也借鉴了别人的自学笔记，取长补短，克己不足，希望再接再厉！能够越来越好！