2021-20222—1学期20212306《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
第四章：门和电路
本章将在计算机科学和电子工程学之间切换，分析计算机中最基础的硬件元件，并探讨计算机如何使用电信号来表示和操作这些二进制。
计算机和电学
任何信号都有电平。（0至2伏低电平由“0”表示，3至5伏高电平由“1”表示。）
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。
描述门和电路的表示法有三种，他们互不相同，但一样有效。
- 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。
门
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。
我们将初步学习下面六个门。
非门
非门只接受一个输入值，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
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。
与门
与门接受两个输入信号。由两个输入信号决定输出信号。
因为有两个输入，所以与门的输入会有四种组合。
与门的三种表示方法
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。
或门的三种表示方法
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。
异或门的三种表示方法
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。
与非门和或非门的三种表示方法
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。
门也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，则需重复一次与操作，以表示第三个值。
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。
计算的发展很大程度上源于晶体管的发明。
首先，我们应该了解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。
晶体管有三个接线端：源极，基极，发射极
源极制造的是高电平约为5伏。
基极值控制的门决定了是否把源极接地。
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。
电路
电路分为：组合电路，时序电路
组合电路：输出仅由输入决定
时序电路：（涉及信息存储）输出是输入值和电路当前状态函数的电路。
组合电路
电路是一组互连的门
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。
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。
加法器
加法器属于一种进行二进制加法运算的电路
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。
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
生成单个输入信号的通用电路。输出值等于该电路的多个输入值之一，根据选择信号或选择控制线的输入信号选择用哪个信号作为输出信号。
多路分配器：只一个输入信号。
存储器电路
存储器电路属于时序电路
类型之一：S-R 锁存器
集成电路
集成电路：又称芯片，是嵌入了多个门的硅片。
然而超大规模集成芯片其中的门并不是独立的。许多门被组合在一起，创建的复杂电路只需要很少的输入和输出值。
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。
第五章：计算部件
储存程序的概念
冯·诺伊曼体系结构
实现了数据和操作数据的指令的逻辑一致性。其主要特征是处理信息的部件独立于储存信息的部件。
1.内存：储存单元的集合，每个存储单元有一个唯一的物理地址，称单元。
可编地址：内存中每个可编地址位置存储的位数
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
控制单元包括指令寄存器，程序寄存器
指令寄存器：存放正在进行执行的指令
程序寄存器：存放下一条执行的指令
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。
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。
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。具有易失性
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。
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。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
4.闪存
一种可写入可擦除的非易失性计算机存储器
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
表面声波触摸屏
嵌入式系统
通常来讲，一个嵌入式系统集成在单个微型处理器芯片上，程序被储存在ROM中。
并行体系结构
并行计算
其一般有四种形式：位级，指令级，数据级，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。
共享内存并行处理器：多个处理器共享整体内存情况
并行硬件分类
多核处理器：有多个独立核心，通常是中央处理
超标量处理器：能向执行单元发出多条指令
对称多处理器：包含多个相同核心
大规模并行处理器：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。
四、五章思维导图
学习收获及遇到的问题
通过学习，学习到了计算机如何通过控制最底层的电流进行运算，以及知道了构成计算机的部件所涉及的多种设备的各种特征、大小和效率。了解了一个电脑广告上各个部分的具体内容。
学习过程中也遇到了一些问题，如弄不理解晶体管三个接线端之间的相互影响，存储器电路等，通过询问同学，学长以及上课听老师讲解和再次研读教材逐渐将不会的内容弄清楚，获得了极大收获。
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