2020—2021-1学期20202417《网络空间安全》第二周学习总结

学习内容：《计算机科学概论》第4、5章

本书第一部分讲述计算机的全景图，让我们对计算机有了初步的认识。上周学习的第二部分主要集中于信息层的概述。这一周学习重点为第三部分硬件层。

第四章讲述门和电路，探讨计算机如何用电信号来表示和操作二进制数值以及一些其他任务。

知识点：

（一）计算机和电学：

1.电路：相互关联的门的组合，用于实现特定的逻辑函数。

2.布尔代数：表示二值逻辑函数的数学表示法。

3.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。

4.真值表：列出了所有可能的输入值和相关的输出值的表。

（二）门：

1.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。计算机中的门有时也叫逻辑门，因为每个门都执行一种逻辑函数。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（对应低电平信号）或1（对应该电平信号）。门的类型和输入值决定了输出值。这里分析6种类型的门。

（1）非（NOT)门：接受一个输入值，生成一个输出值。有时又叫逆变器（对输入值求逆）。

• 赋值语句：等号左边的变量的值来自于等号右边的表达式。

（2）与(AND)门：接受两个输入值，生成一个输出值。两个输入值决定一个输出值。两个输入信号都是1时输出1，否则为0。

（3）或(OR)门：和与门一样，也有两个输入。两个输入值都是0，则输出为0；否则输出为1。

（4）异或(XOR)门：如果异或门的两个输入相同，则输出为0；否则输出为1。

（5）与非(NAND)门：与门的对立门。让与门的结果经过一个逆变器（非门），得到的输出结果和与非门的输出一样。

（6）或非(NOR)门：或门的对立门。或门的结果经过逆变器（非门），得到的输出结果和或非门一致。

• 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。
• 如果一个输入值为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相反。
• 或非门生成的结果和或门生成的相反。

（7）具有更多输入的门:门可以被设计为接受三个或更多输入值。

（三）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。虽然没有可移动的部分，但是却可以作为开关。由半导体材料制成，通常是硅。

2.半导体：既不是良导体也不是绝缘体的材料，如硅。

3.晶体管有三个接线端，即源极、基极和发射极。发射极通常被连接到地线，基极值控制的门决定了是否把源极接地。通常源极连线上都有一条输出连线，如果源极信号被接地了，那么输出信号是低电平，表示二进制数值0。若仍为高电平，则输出信号也是高电平，表示二进制数字1。

4.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。基极信号是高电平，源极信号将被接地，从而关闭了晶体管。基极信号是低电平，则源极信号仍然是高电平，晶体管将被打开。

（四）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。通常涉及信息存储。

3.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。体现了布尔代数的分配率。

• 德·摩根定律：对两个变量与操作的结果进行非操作，等于对每个变量进行非操作之后再对它们进行或操作，即对与门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把它们传入或门；对两个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，即对或门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把它们传入与门。

4.加法器：对二进制值执行加法运算的电路。

5.半加器：计算两个数位的和并生成正确进位的电路。只能计算两个数位的和，不能计算两个多位二进制值的和。

6.全加器：计算两个数位的和，并考虑进位输入的电路。可以用两个半加器构造一个全加器。

7.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。(多路分配器：只有一个输入，根据n条控制线的值，输入信号将被发送到2^n个输出。)

（五）存储器电路：

1.S-R锁存器：一种存储器电路，一个S-R锁存器存储一个二进制数字。

（六）集成电路：

又称芯片，是嵌入了多个门的硅片。

（七）CPU芯片（中央处理器），一种具有输入线和输出线的高级电路。有大量引脚。

第五章计算机部件则主要介绍了一些技术利用的主要计算机部件，和嵌入式结构概念。

知识点：

（一）独立的计算机部件：

1.五大组成部分:控制器（CU）、运算器(ALU)、存储器(Memory)、输入设备(Input)和输出设备(Output)。

2.三大核心组件:CPU、内存和硬盘

3.经常在计算机中使用的前缀：

（二）存储程序的概念：

1.冯·诺伊曼体系结构：数据和操作数据的指令的逻辑一致性，并使它们能存储在一起。另一主要特征是处理信息的部件独立于存储信息的部件。 其结构部件如下：

• 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。
• 把数据从外部世界转移到计算机中的输入单元。
• 担当舞台监督，确保其他部件都参与了表演的控制单元。

2.内存：存储单元的集合，每个存储单元有唯一的物理地址。可编址性：内存中每个可编址位置存储的位数。

3.算术/逻辑单元：执行算术运算（加法、减法、乘法、除法）和逻辑运算（两个值的比较），如与运算、或运算和非运算的计算机部件。

4.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。（存放立刻会被再次用到的信息）

5.输入单元：使外界数据和程序进入计算机，接收要存储在内存中的数据的设备。包括键盘、鼠标、超市使用的扫描设备等。

6.输出单元：使外界使用存储在计算机上的结果的设备。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的副本。最常用的是打印机和显示器。

7.控制单元：掌管着读取-执行周期，控制其他部件的动作，从而执行指令序列的计算机部件。其中有：

（1）指令寄存器：存放当前正在执行的指令的寄存器。

（2）程序计数器：存放下一条要执行的指令的地址的寄存器。

8.中央处理器（CPU）：算术/逻辑单元和控制单元的组合，是计算机中用于解释和执行指令的“大脑”。

• 每条总线携带三种信息：地址、数据和控制信息。
• 总线宽度：可以在总线上并行传输的位数。总线越宽，一次能传输的地址和数据位越多。

9.缓存：一种用于存储常用数据的小型高速存储器。

10.流水线：一种将指令分解为可以重叠执行的小步骤的技术。

11.主板：个人计算机的主电路板。

12.读取-执行周期步骤：

• 读取下一条指令。
• 译解指令。
• 如果需要，获取数据。
• 执行指令。

13.RAM与ROM：

（1）RAM是随机存取存储器的缩写，一种每个存储单元（通常是1字节）都能被直接访问的内存。访问每个单元的本质是改写这个存储单元的内容。具有易失性。

（2）ROM：只读存储器的缩写。其中内容不能更改，是永久的，存储操作不能改变它们。把位组合放在ROM中称为烧入。不具有易失性，稳定。

14.二级存储设备：又被称为大容量存储设备。

(1)磁带

(2)磁盘：分为硬盘和软盘

• 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。越靠近圆心的数据块数据排放得越密集。
• 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的和。
• 传送速率：数据从磁盘传输到内存的速率。
• 柱面：所有磁盘表面的同心磁道的集合。

(3)CD和DVD：光盘和数字化多功能光盘。

(4)闪存：或称U盘，一种可写入可擦除的非易丢失性计算机存储器。也被用于制作固态硬盘。

15.触摸屏：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。兼具输入和输出功能。用来实现触摸屏的技术：

• 电阻式、电容式、红外、表面声波。

(三)嵌入式系统： 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。常用汇编语言。

（四）并行式结构：

1.并行计算：一般有四种形式：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的进行。
• 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。称为SIMD。
• 同步处理：多处理器将同一个程序应用于多个数据集。
• 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。
• 共享内存并行处理器：多个处理器共享整体内存的情况。

2.并行硬件分类：

多核处理器、对称多处理器、大规模并行处理器等。

下面用两张脑图进行总结：