第二周读书笔记

硬件层读书笔记

第4章 门和电路

4.1 计算机和电学

• 任何电信号都有电平。
• 我们根据信号的电平区分信号的值，分类如下：
  1. 0~2伏的电压是低电平，由二进制数字0表示。
  2. 2~5伏范围内的电压是高电平，由二进制数字1表示。
     注意:计算机中的信号被限制在上述两个范围之内。
• 门（gate) :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。（但一个门接受一个或多个输入信号,生成一个输出的信号）。
  每种类型的门执行一个 特定的逻辑函数。
• 电路（circuit）：相互关联的门的组合，用于实现特定的逻辑函数。
  例如，电路可用来执行 算术运算和存储值。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 电流由经过精心设计的相互关联的门逻辑控制。
• 描述门和电路的表示法有三种：
  1.布尔表达式
  2.逻辑框图
  3.真值表
• 布尔代数（Boolean algebra）：表示 二值逻辑函数 的数学表示法。
  变量和函数的值：只是0或1。
  表达式：演示电路活动的极好方式。
  布尔代数其 特有的运算 和 属性 使我们能够用 数学符号定义 和 操作电路逻辑。
• 逻辑框图（Boolean algebra): 表示二值逻辑函数的数学表示法。
  每种类型的门由一个特定的图形符号表示。
• 真值表（truth table）：列出了所有可能的输入值 和相关的 输出值的表，从而定义了这种门的功能。

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4.2 门

• 计算机中的门有时又叫作逻辑门，因为每个门都执行一种逻辑函数。
• 门的类型如下：
  1. 非（NOT)门
  2. 与（AND)门
  3. 或（OR）门
  4. 异或（XOR）门
  5. 与非（NAND)门
  6. 或非（NOR)门

4.2.1 非门（逆变器）

• 非门接受一个输入值，生成一个输出值。
• 布尔表达式：X的值是对输入值A进行求反操作得到的。
• 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。
• 真值表列出了非门所有可能的输入值和对应的输出值。
  注意：这三种表示方法只是同一事物 的 不同表示。
  

4.2.2 与门

• 与非门的不同点：与门接受的输入信号不是一个，而是两个。这两个输入信号的值 决定了输出信号。
• 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
• 在真值表中也展示了四种可能的组合，与布尔表达式结果一致。
  

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。
  

4.2.6 门处理回顾

• 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。

4.2.7 具有更多输入的门

• 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。
  

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4.3 门的构造

• 晶体管（transistor）
  1 .定义：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。
  2 .扮演角色：1.传导电流的 电线；2.阻止电流的电阻器。（由输入信号电平决定角色）
  3 .门使用晶体管建立输入值和输出值之间的映射。
  4 .材料： 半导体（既不是良导体也不是绝缘体的材料）。
  5 .三个接线端： 源极、基极(基极值控制的门决定了是否把源极接地）和 发射极（通常被连接到地线）。
  6 .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。
  7 . 只用 一个 晶体管来制造非门。
  8 . 与非门需要 两个 晶体管。
  9 . 或非门的构造也需要 **两个 **晶体管。
  10 . 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。

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4.4 电路

• 组合电路（combinational circuit）：输出仅由输入值决定的电脑。
• 时序电路（sequential circuit）：输出是输入值和电脑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。
• 电路等价（circuit equivalence）：对应每个输入值组合，两个电路都生成完全相同的输出。
• 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。
• 意义：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（adder）：对二进制值执行加法运算的电路。
• 半加器（half adder）：计算两个数位的和并生成正确进位的电路。
• 全加器（full adder）：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（multiplexer）：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。
• 多路分配器是执行相反操作的电路。

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（integrated circuit）：又称芯片（chip），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。

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第5章 计算部件

5.1 独立的计算机部件

• 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。

5.2 存储程序的概念

• 1944-1945年实现了数据和操作数据的指令的逻辑一致性，而且它们能存储在一起，这是计算历史上的一个主要定义点。

5.2.1 冯·诺伊曼体系结构

• 该体系另一个主要特征是处理信息的部件独立于存储信息的部件。
• 5个该体系结构的部件：
  1.存放数据和指令的内存单元。
  2.对数据执行算术和逻辑运算的算术逻辑单元。
  3.把数据从外部世界转移到计算机中的输入单元。
  4.把结果从计算机内部转移到外部世界的输出单元。
  5.担当舞台监督，确保其他部件都参与了表演的控制单元。
• 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（addressability）：内存中每个可编址位置存储的位数。
• 算术逻辑单元（ALU）：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（register）：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（input unit）：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（output unit）：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。最常用的输出设备是 打印机和显示器。
• 控制单元（control unit）：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（Instruction Register）：存放当前正在执行的指令的寄存器。
• 程序计数器（Program Counter):存放下一条要执行的指令的地址的寄存器。
• 中央处理器（CPU）：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（bus width）：可以在总线上并行传输的位数。
• 缓存（cache memory）：一种用于存储常用数据的小型高速存储器。
• 流水线（pipelining）：一种将指令分解为可以重叠执行的小步骤的技术。
• 主板（motherboard）：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。
• ROM:只读存储器（Read Only Memory）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

• 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。
  缺点：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。
  
• 磁盘驱动器：CD播放器和磁带录音机的混合物。
  磁道（track）：磁盘表面的 同心圆。
  扇区（sector):磁道的一个区。
  块（block）：存储在扇区中的信息。
  寻道时间（seek time）：读写头定位到指定的磁道所花费的时间。
  等待时间（latency）：把指定的扇区定位到读写头之下所花费的时间。
  存取时间（access time）：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（cylinder）：所有磁盘表面的同心磁道的集合。
• 磁盘的分类：软盘和硬盘。
• 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。
  存在形式：DVD+R、DVD-R、DVD+RW、DVD-RW。
• 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

• 触摸屏：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。

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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。但是，这一术语是很模糊的。

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5.4 并行体系结构

5.4.1 并行计算

• 四种一般的形式：比特级、指令级、数据级和任务级。
• 同步处理（synchronous processing）：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（shared memory parallel processor）：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（SMP）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。