2021-2022-1学期 20212417《网络空间安全专业导论》第二周学习总结
目录
第四章 门与电路
4.1 计算机与电学
(1)此章引入了新的概念——门，以及电路。
门，是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。
电路是相互关联的门的组合，用于实现特定的逻辑函数。
(2)描述门和电路的方法有三种：
- 布尔表达式：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。每种类型的门由一个特定的图形符号表示。
- 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
有时又叫逻辑门，输入与输出值只能是0（对应低电平信号）或1（对应高电平信号）。
门可以接受一个或多个输入值，生成一个输出值。
4.2.1 非（NOT）门
4.2.2 与（AND）门
4.2.3 或（OR）门
4.2.4 异或（XOR）门
4.2.5 与非（NAND）门和或非(NOR)门
4.2.6 门处理回顾
4.2.7 具有更多输入的门
4.2.1 非（NOT）门
(1)非门接受一个输入值。(2)非门对输入值求逆，即输入为0则输出为1，输入为1则输出为0。所以非门有时又叫作逆变器。
(3)布尔表达式：非操作由求反的值后的“ ’ ”表示。
逻辑框图：末端具有小圆圈（叫做求逆泡）的三角形。
真值表：真正定义了非门在各种情况下的行为。
*这三种表达方法只是同一事物的不同表示。
4.2.2 与（AND）门
(1)与门接受两个输入值。(2)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。
(3)布尔表达式：与操作用点（ · ）表示，有时也表达为星号（*）。或者省略运算符，A·B通常被写作AB。
理解上可以看作代数乘法。
4.2.3 或（OR）门
(1)或门接受两个输入值。(2)如果这两个输入值都是0，那么输出是0；否则，输出是1。
(3)布尔表达式：或操作用加号（+）表示。
理解上可以看作代数加法。
*正规的或门又叫同或门
4.2.4 异或（XOR）门
(1)异或门接受两个输入值。(2)如果异或门的两个输入相同，则输出为0；否则输出为1.
4.2.5 与非（NAND）门和或非（NOR）门
(1)这两个门都接受两个输入值。(2)与非门和或非门分别是与门和或门的对立门。
如果让与门的结果经过一个逆变器（非门），得到的输出结果即为与非门的输出结果。或门和或非门也一样。
(3)布尔表达式：与非门的布尔表达式是对与运算求逆。或非门和或门同理。
逻辑框图：与非门和与门仅有一个求逆泡的差别，或非门和或门同理。
4.2.6 门处理回顾
1)非门求逆
2)两个输入值都为1——与门生成1
3)只要有一个输入值是1——或门生成1
4)仅有一个输入值为1——异或门生成1
5)与非（或）门结果跟与（或）门相反
4.2.7 具有更多输入的门
4.3 门的构造
(1)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。
(2)电信号接地——低电平（降低或减小到0伏）
(3)晶体管具有三个接线端。
- 发射极：通常被连接到地线。
- 源极：制造高电平，约为5伏。
- 基极值：决定是否把源极接地。
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。
用晶体管可以制造各种各样的门。
4.4 电路
(1)组合电路——输出仅由输入值决定的电路。
(2)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 组合电路
4.4.2 加法器
4.4.3 多路复用器
4.4.1 组合电路
(1)把一个门的输出作为另个门的输入，就可以把门组合成电路。(2)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。
(3)布尔代数：重要属性——分配律。（A(B+C))=AB+AC
也就是说，布尔代数允许我们利用可证明的数学法则来设计逻辑电路。
(4)德·摩根定律：
第一部分：对与门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把他们传入或门。
即（AB）’=A’+B’
第二部分：对或门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把他们传入与门。
即（A+B）’=A’B’
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：计算两个数位的和并生成正确进位的电路。
半加器得出的和即为异或门的结果，进位则为与门的结果。 -
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
(1)多路复用器——使用一些输出信号决定用哪条输入数据线发送输出信号的电路。 一般来说，n条输入控制线的二进制值决定了选择2^n条数据线中的哪一条作为输出。(2)多路分配器是执行相反操作的电路，也就是说，它只有一个输入，根据n条控制线的值，这个输入信号将被发送到2^n个输出。
4.5 存储器电路
(1)数字电路构成了时序电路，因为这种电路的输出信号也被用作电路的输入信号。即电路的下一状态部分是由当前状态决定的。
(2)S-R锁存器中，只要S和R都是1，S-R锁存器就保留它的值，即储存0或1。
4.6 集成电路
又称芯片，是嵌入了多个门的硅片。集成电路是根据他们包含的门数分类的。4.7 CPU芯片
只是一种具有输入线和输出线的高级电路。第五章 计算部件
5.1 独立的计算机部件
本节大部分内容都是针对计算机广告展开的科普。 *表示速度时，K=1000；表示储存量时，K=1024.5.2 存储程序的概念
1944-1945实现了数据和操作数据的指令的逻辑统一性，而且它们能储存在一起。依靠的原理就是著名的冯·诺伊曼体系结构。5.2.1 冯·诺伊曼体系结构
5.2.2 读取-执行周期
5.2.3 RAM和ROM
5.2.4 二级存储设备
5.2.5 触摸屏
5.2.1 冯·诺伊曼体系结构
(1)冯·诺伊曼体系的一个主要特征是处理信息的部件独立于存储信息的部件。而此特征导致了下列5个冯·诺伊曼体系结构的部件：
-
存放数据和指令的内存单元。
-
对数据执行算术和逻辑运算的算术逻辑单元。
-
把数据从外部转移到计算机中的输入单元。
-
把结果从计算机内部转移到外部的输出单元。
-
确保其他部件都参与工作的控制单元。
结构简述：输入单元——中央处理器、内存单元——输出设备
(2)内存——是存储单元的集合。
可编址性——内存中每个可编址位置存储的位数。
而这些地址所对应编码的内容，只是一个位组合。
*位都是从0开始并从右向左进行编号的。
(3)算术逻辑单元——执行算术运算（加减乘除）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。
(4)输入单元，就是接受要存储在内存中的数据的设备。现在常用的输入设备有键盘、鼠标等。
输出单元就是一种设备，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它设备中的信息制成一个永久副本。目前常用输出设备有打印机和显示器等等。
(5)控制单元通过控制其他部件的动作，执行指令序列的计算机部件。它掌管着读取-执行周期。
- 指令寄存器存放的是当前正在执行的指令。
- 程序计数器存放下一条要执行的指令的地址的寄存器。
↑以上两个都在控制单元中。
中央处理器即CPU，是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”。
(6)冯·诺伊曼机中的各个部分由一组电线（即总线）连接在一起。
每条总线上携带三种信息：地址、数据和控制信息。
- 地址用来选择内存位置或设备，以决定数据的流向或数据的来源。
- 数据在处理器、内存和I/O设备之间的总线上传递。
- 控制信息则用来管理地址和数据的流向。
总线宽度就是同时能传输的比特数，而不是物理意义上线的宽度。
(7)缓存是一种用于存储常用数据的小型高速存储器，这样可以提高数据处理的速度，而不用每一次都访问主内存。
流水线是一种将指令分解为可以重叠执行的小步骤的技术，它加速了读取-执行周期。
而主板就是个人计算机的主电路板。
5.2.2 读取-执行周期
要启动该周期，第一条指令的地址将被装入程序计数器。 处理周期中四个步骤：-
读取下一条指令。
程序计数器中存放下一条要执行的指令，指令寄存器存放的是将要完成的指令。在进入周期中的下一步之前，必须更新程序计数器，使它存放当前指令完成时要执行的下一条指令的地址。
给程序计数器加1就可以把下一条指令的地址存入程序计数器。 -
译解指令
在此阶段，指令将被译解成控制信号，即CPU的电路逻辑将决定执行的操作。 -
如果需要，获取数据
有些指令为了完成任务，可能需要额外的内存访问。 -
执行指令
执行指令要把信号发送给算术逻辑单元以执行处理。
执行完成时，下一个周期就开始了。
5.2.3 RAM和ROM
(1)RAM是随机存取存储机的简写，把其他数据存入这个单元可改变其中的位组合。且RAM具有易失性，关闭电源后，RAM不再保留它的位配置。
(2)ROM是只读存储器的缩写，其中的内容是不可更改的、永久的，存储操作不会改变它们。
把位组合放在ROM中称为烧入。
主存中通常包含一些ROM和通用的RAM。
5.2.4 二级存储设备
(1)当不再处理程序和数据或关机时，可把程序和数据保存起来。
这样的存储设备就是二级存储设备或辅助存储设备。
每个二级存储设备也是一种输入和输出设备。又称为大容量存储设备。
(2)第一种真正的大容量辅助存储设备是磁带驱动器，通常用于备份（生成副本）磁盘上的数据。
但它有一个严重的缺点，如果要访问磁带中间的数据，则必须访问这个数据之前内的所有数据并丢弃它们，而磁带的任何物理运动都是费时的。
(3)磁盘驱动器是CD播放器和磁带录音机的混合物。与磁带一样，信息是被磁化存储的。
每个磁盘的表面都被逻辑划分成磁道和扇区。磁道就是磁带表面的同心圆，扇区是磁道的一个区，而块是存储在扇区中的信息。
访问信息块的过程中产生了四种衡量磁盘驱动器效率的方法：
寻道时间、等待时间、存取时间、传送速率。
(4)磁盘的分类之一是硬盘和软盘，而计算机安装的硬盘由几个磁盘构成。
单个的磁盘被称为磁盘片。硬盘由几个连接在旋转主轴上的磁盘片构成。
上下排排列的所有磁道形成了一个柱面，硬盘上的地址由柱面编号、表面编号和扇区构成。
硬盘驱动器的速度比软盘驱动器快得多。
(5)CD是光盘的缩写。
CD驱动器使用激光读取存储在塑料盘片上的信息，CD上的数据是均匀分布在整个光盘上的，因此外边缘处磁道存储信息比较多。
为使整个光盘传送速率一致，盘片的旋转速度会根据光束的位置变化。
(6)CD-DA是数字音频光盘的缩写，说明了录音采用的格式。在CD-DA中，存储在扇区中的数据是为时间安排信息预留的。
CD-ROM的数据是永久存储在光盘上的。
CD-R代表可记录的光盘，但它的内容在数据记录一次之后就不能再进行改变。
CD-RW代表可多次写入数据的光盘。
(7)DVD的多种存在形式：DVD+R、DVD-R、DVD+RW、DVD-RW。
R意思是可记录的，RW意思是可重写、多次编辑的。
DL代表双层，它几乎具有普通DVD两倍的容量。
“蓝光”指的是CD或DVD驱动器中使用的是蓝色激光而不是红色激光。
＊CD-ROM和DVD-ROM的速度单位是X，它表示标准的音频CD和DVD播放器的速度。
评估时候列出的速度是一个最大值，表示读取光盘上某些部分数据的速度，并非平均值。
所以读盘速度越快并不代表越好。
(8)闪存是一种可写入可擦除的非易失性的计算机存储器。
它也被用于制作固态硬盘，固态硬盘能够直接取代普通硬盘。
5.2.5 触摸屏
(1)触摸屏是一种特殊的I/O(输入/输出)设备。
它显示文本和图形的方式与常规的显示器相同，它还能探测到用户在屏幕上用手指或数字笔的触摸。
触摸屏同时担任输入和输出设备。
(2)触摸屏并非只能检测到触摸，它还能知道触摸屏幕的位置。通常以图形化的按钮来表示选项。
(3)电阻式触摸屏由两个分层组成，而每个分层由导电材料制成。一层是水平线，一层是竖直线。当上面的分层被按下，它将与下面的分层接触，使电流流通。所以接触的竖直线和水平线说明了触摸屏幕的位置。
(4)电容式触摸屏在玻璃屏幕之上附加了一个层压板，他可以把电流导向任何方向。
触摸屏幕的位置是靠比较来自每个角的电流的强弱确定的。
红外触摸屏和表面声波触摸屏相似。
＊可以用带手套的手指触摸电阻式触摸屏、红外触摸屏和声表面波触摸屏，但不能用到电容式触摸屏上，因为它依靠的是流向触摸点的电流。
5.3嵌入式系统
(1)嵌入式系统是为完成小范围功能而专门设计的计算机。
一个嵌入式系统集成在单个微型处理器芯片上，程序被存储在ROM中。
几乎所有具有数码显示的电子设备都使用了嵌入式系统。
有些嵌入式系统包含操作系统，但更多的是用来完成专门的用途而将整个电路当做一个单独的程序实施。
(2)嵌入式系统现在指代任一预编程的、为了完成某一特殊用途的、作为大型系统一部分的计算机。它们被倾向等同于硬件。
(3)程序不能在嵌入式处理器本身之中开发和测试——因为程序是在台式机中编写的，并且会根据目标系统进行编译，根据嵌入式系统的处理器生成可执行代码。
嵌入式系统几乎全部使用汇编语言。
5.4 并行体系结构
5.4.1 并行计算
(1)并行计算四种一般形式：比特级、指令级、数据级和任务级。
- 比特级的并行：基于增加计算机的字长。而增加字长能减少处理比字长更长的数值所需的操作。
- 指令集的并行：基于程序中的某些指令能够同时独立地进行。
- 数据集的并行：基于同一组指令集能同时对不同的数据集执行。又被称为SIMD（单指令多数据），它依赖于用一个控制单元来指导在不同操作数集合上执行相同的操作。同时也被称为同步处理，即多处理器将同一个程序应用于多个数据集。（一对多）
- 任务集的并行：基于不同处理器能在相同或不同的数据集上执行不同的操作。（多对一）
(2)不同的处理器通过共享内存进行通信，也就是多个处理器共享整体内存的情况，这种配置也称为共享内存并行处理器。
5.4.2 并行硬件分类
(1)超标量处理器能向执行单元发出多条指令，而多核心处理器能向不同的执行单元发出不同的指令。 也就是说，每个独立的核心能够包含多个执行单元。(2)对称多处理器包含多个相同的核心，分布式计算机包含多个内存单元。
共享和分布式内存的混合在并行处理中变得十分常见。
现在的并行计算机不再属于哪一个特别的类别，相反，他们通常同时包含了所有类别。
不同之处就在于他们彼此的用途。例如用于科学的并行计算机可能更强调数据集并行，而用于因特网搜索引擎的计算机可能更强调任务级并行。
浙公网安备 33010602011771号