2021-2022-1学期 20212324 《网络空间安全导论》 第二周学习总结
晋博 2021/10/8
一、我所学到的
第4章 门和电路
计算机是电子设备，他的大多数基础硬件原件控制着电流。本章将探讨如何用电信号来表示和操作这些二进制值。
4.1 计算机和电学
任何电信号都有电平，一般0-2v为低电平，用二进制0表示；2-5v为高电平，用二进制1表示。
门是对电信号执行基本运算的设备。作用：接受一个或多个输入信号并生成输出一个信号。每种类型的们执行一个特定的逻辑函数。
电路是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以下三种：
- 布尔表示法： 代数运算，既可通过数学符号定义和操作电路逻辑，同时其运算律对设计和优化逻辑电路具有重要作用。
- 逻辑框图：电路的图形化表示，更加直观。
- 真值表：所有可能输入值和相关输出值的表。
4.2 门
门又被叫做逻辑门，每种门都执行一种逻辑函数。
非(NOT)门
又称逆变器，因为它对输入值求逆
与（AND）门
或（OR）门
又称同或门
异或（XOR）门
与非（NAND）门
或非（NOR）门
可认为分别对与运算和或运算求逆。
门处理总结
- 非门对唯一输入值求逆
- 如果两个输入值都是1，则与门才会输出1
- 至少一个输入值为1，则或门生成1
- 只有一个输入值为1，则异或门生成1
- 与非门输出结果和与门相逆
- 或非门输出结果和或门相逆
4.2.7 更多输入的门
输入数据较两个输入数据的门更多，但定义不变。
n个不同输入值有2^n种0和1的组合，决定了真值表的行数
4.3 门的构造（硬件层面门的是实现）
晶体管
作为导线或电阻器的设备，其连接如图：
由输入信号的电平决定它的作用：
- 若输入高电平，则基极导通，输出端接地，电平为低电平；
- 若输入低电平，则基极断开，输出端接源极，电平为高电平。
（与非门功能相同，故做逆运算较为合适)
故与门比与非门多需要一个逆变器来对结果取反。
4.4 组合电路
了解了门如何工作及其构造,就可以了解它们如何组成电路.
电路的分类:
组合电路:输出只由输入值决定而与电路状态无关.
时序电路:输出是输入值和电路当前状态的函数.
组合电路
查看组合电路程序框图的办法:倒着反推出输入值
用布尔表达式可了解电路逻辑,同时可以通过代数运算设计更加优化的逻辑电路.以下为布尔代数的一些性质：
下面为一些重要的组合电路。
加法器
加法器：对二进制值进行加法运算的电路。
半加器：计算两个数位的和并生成正确进位的电路。（实际上计算的是和与进位两个输出结果。）
加法的实现：通过真值表，我们发现：和可用异或门建立，而进位则用与门
但在常规加法运算中，除了最右边的一位，其他位上的加法都要遇到右边一位进位的问题。此时使用半加器不能输出正确结果，故全加器因此产生。全加器在由两个半加器共3个输入数据构造而成。位上的数通过半加器相加后输出的和与进位作为新的输入数据输入异或门实现求和，这个输出的和同时与进位通过一个或门输出实现进位。
全加器：计算两个数位的和，并考虑进位输入的电路。
多路复用器
多路复用器是使用一些输入信号以决定用哪条输入数据线发送输出信号的电路。分为控制线和输入线。控制线按顺序排列表示一个二进制数字的不同数位，这个数字与输入线的编号关联起来控制输出。
例：三根输入线可表示8种不同状态，从而可控制8条输入线。
由于多路复用器的这一性质，其在大规模集成电路中对于提高门-引脚比具有重要作用。
多路分配器则扮演了一个相逆的过程。1条输入--》发送到2^n个输出。
4.5 存储器（时序电路）
数字电路的一个重要作用就是存储信息，它们构成了输出信号也可被用作输入信号的时序电路。
S-R锁存器是其中之一，其能够使两个输出X和Y总互补。X在任意时间点的值都被看做电路的状态，故若X=1，则存储的就是1；为0则是0.当S和R都为1时，X就保留它的值，实现存储。
4.6 集成电路
又称芯片，是嵌入了多个门的硅片，边缘有引脚。
4.7 CPU
电脑中最重要的集成电路，具有输入线和输出线。
第5章 计算部件
本章主要讲述了计算机主要硬件的概念及举例。
5.1 引入
常用的计量方式：
5.2 存储程序的概念
5.2.1冯 诺依曼体系结构
实现了数据和操作数据的指令的逻辑一致性，且能够存储在一起，同时将处理信息的部件独立于存储信息的部件。至今仍是计算机设计的基础。这一结构的部件如下：
- 把数据从外部转移到计算机内部的输入单元
- 控制单元
- 执行算数和逻辑运算的算术/逻辑单元
- 存放数据和指令的内存单元
- 将数据从计算机内部转移到外部的输出单元
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。统称为单元（不同机器中可编址的位置的位数（可编址性）不同故称为单元）。
信息在内存中被存储为一段位的组合，要确定 位组合 表示的信息，要给它们解释。
位都是从0开始并从右到左进行编号的
以可寻址能力8（）每一字节都可单独寻址为例：
7 6 5 4 3 2 1 0 《--位位置
1 0 1 0 1 0 1 0 《--内容
2. 算数/逻辑单元
ALU执行基本的算数运算，其操作的是字，即与特定计算机相关联的数据的自然单位。
字的大小与计算机系统有关：32位系统1字=4字节，64位系统1字=8字节（取决与寄存器中的位数，也与总线宽度和总线地址宽度）
ALU中有少量的特殊存储单元，较寄存器，能够容纳一个字，用于存放立刻被再次利用的信息
存储读取速度：寄存器>高速缓存(用来存储常用数据的小型高速存储器)>内存(运行速度小于CPU)>硬盘，由于造价，存储大小排名相反
3.输入/输出单元
接受/打印，显示或存储数据的设备
4.控制单元
控制其他部件的动作,从而执行指令序列的计算机部件.掌管着读取-执行周期.其中有两种特殊的寄存器,即指令寄存器(存放正在执行的指令)和程序寄存器(存放下一条要执行的程序的地址)
ALU和控制单元由于协作十分紧密被看作一个单元,即CPU
5.其他
冯 诺依曼机中各个部分的信息流:
组成部分由一组电线连接而成,称为总线,用来传输数据.可以在总线上并行传输的位数称为总线宽度.
为了加速读取-执行周期,产生了流水线这一技术.其将指令分解为了可以重叠的小步骤.
个人计算机中部件物理驻留在一个印刷电路板上.
5.2.2 读取-执行周期
处理周期的四个步骤如下:
- 读取下一条指令
- 译解指令
- 如果需要,获取数据
- 执行指令
具体如图:
5.2.3 RAM和ROM
RAM：每个存储单元都能被直接访问（存储操作可以改变这个存储单元的位组合）的内存，具有易失性。
ROM：存储单元中的内容不可改变，具有永久性，一般用于存储计算机自身启动需要的指令以及经常使用的软件。
5.2.4 二级存储设备
二级存储设备大部分主存都是易失、有限的，需要其它类型的存储设备当不再处理程序或关机时将其保存起来。
每一种二级存储设备都是一种输入和输出设备。
下列为几种二级存储设备：
- 磁带
- 磁盘
表面都被逻辑分为磁道（磁盘表面的同心圆）和扇区（磁道的一个区），每个扇区存放一个信息块。
读/写头的读写过程决定了四种衡量计磁盘驱动器效率的方法：寻道时间，等待时间，存取时间和传送效率。
磁盘分为软盘和硬盘，硬盘由几个同轴的磁盘片构成，上下磁道构成了一个柱面。 - CD和DVD
- 闪存
5.2.5 触摸屏
同样为输入/输出设备
5.3 嵌入式系统
完成小范围功能而专门设计的计算机
5.4 并行体系结构
- 并行计算
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 - 并行硬件分类
二、我的收获：
1.学习到了几种常见的门并学会了分析电路的一种方法：结果导向原因；同时学会了使用描述门的三种方法来解决对应问题。
2.理解了晶体管的使用逻辑
3.引用储存量时使用的是2的幂而引用储存时间时使用的是10的幂，因为时间时用秒来表示的，所以可以用我们熟悉的十进制表示。因为这个区别，所以在表示速度时，K=1000，而在表示储存量时，K=1024
两章的总结：
主要从硬件层面学习了计算机，一是从电路的实现了解了计算机对电信号进行运算的方法，二是从计算机系统层面了解冯 诺依曼体系和对应部件的具体功能,粗略了解了其中的一些例子。
三、学习中遇到的困难及解决：
学习门的结构和锁存器时不太了解晶体管的具体工作过程，刚好周六补课老师上课讲到这块知识之后结合自己的认识弄明白了其工作过程。
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