2019-2020-1學期20192409《網絡空間安全專業導論》第二週學習總結

第四章 門和電路

1.門和電路

門（gate）：對電信號執行基本運算的設備，接受一個或多個輸入符號，生成一個輸出符號。
電路（circuit）：相互關聯的門的組合，用於實現特定的邏輯函數。
描述門和電路的三種表示法：

• 布爾表達式
• 邏輯框圖
• 真值表

2.布爾代數

英國數學家George Boole發明了一種代數運算，其中變量和函數的值只是0和1。
布爾代數（Boolean algebra）：表示二值邏輯函數的數學表示法 。

3.邏輯框圖

邏輯框圖是電路的圖形化表示每種類型的門由一個特定的圖形符號表示。經過用不一樣方法把這些門鏈接在一塊兒，就能夠真實地表示出整個電路邏輯。

4.真值表

真值表列出了一種門可能遇到的全部輸入組合和相應的輸出，從而定義了這種門的功能。咱們能夠設計更復雜的真值表用足夠多的行和列說明對任何一套輸入值整個電路如何運做。

5.門的類型

• 非（NOT）門
  非門接受一個輸入值，生成一個輸出值。
• 與（AND）門
  與門接受兩個輸入值，生成一個輸出值。若是與門的兩個輸入信號都是1，那麼輸出是1；不然，輸出是0。
• 或（OR）門
  或門接受兩個輸入值，生成一個輸出值。若是與門的兩個輸入信號都是0，那麼輸出是0；不然，輸出是1。
• 異或（XOR）門
  若是異或門的兩個輸入相同，則輸出爲0；不然，輸出爲1。
• 與非（NAND）門
  讓與門的結果通過一個逆變器（非門），獲得的輸出結果和與非門的輸出同樣。
• 或非（NOR）門
  讓或門的結果通過一個逆變器（非門），獲得的輸出結果和或非門的輸出同樣。

6.門處理回顧

• 非門將對它的惟一輸入值求逆。
• 若是兩個輸入值都是1，與門將生成1。
• 若是一個輸入值是1，或者兩個輸入值都是1，或門將生成1。
• 若是隻有一個輸入值是1，而不是兩個，異或門將生成1。
• 與非門生成的結果和與門生成的結果相反。
• 或非門生成的結果和或門生成的結果相反。

7.具備更多輸入的門

8.門的構造

門使用晶體管創建輸入值和輸出值之間的映射。
晶體管（transistor）：做爲導線或電阻器的設備，由輸入信號的電平決定它的做用。晶體管具備三個接線端，即源極、基極和發射極。
半導體（semiconductor）：既不是良導體也不是絕緣體的材料，如硅。

9.電路

組合電路（combinational circuit）：輸出僅由輸入值決定的電路。
時序電路（sequential circuit）：輸出是輸入值和電路當前狀態的函數的電路。

（1）組合電路

兩個與門的輸出被用做或門的輸入。
邏輯框圖：

真值表：

布爾表達式：
（AB+AC）
又：
邏輯框圖：

真值表：

布爾表達式：
A（B+C）
這兩個例子真值表最後一列徹底同樣。即演示了電路等價。
電路等價：（circuit equivalence）：對應每一個輸入值組合，兩個電路都生成徹底相同的輸出。
布爾代數的性質：

• 交換律：
  與：AB=BA
  或：A+B=B+A
• 結合律：
  與：（AB）C=A（BC）
  或：（A+B）+C=A+（B+C）
• 分配律：
  與：A（B+C）=（AB）+（AC）
  或：A+(BC)=(A+B)(A+C)
• 恆等：
  與：A1=A
  或：A+0=A
• 補：
  與：A(A')=0
  或：A+(A')=1
• 德·摩根定律：
  與：(AB')=A'OR B'
  或：(A+B)'=A'B'

與Geoge Boole同時代的DeMorgan是1828年倫敦大學的第一位數學教授，他在此執教了30年。他編寫了關於算數、代數、三角學和微積分學的基礎課本，發表過關於創建邏輯計算的可能性和用符號表示想法的基本問題的論文。雖然DeMorgan不是德·摩根定律的發現者，可是他正式陳述了這一咱們今天見到的定律。

（2）加法器

加法器（adder）：對二進制值執行加法運算的電路。
半加器（half adder）：計算兩個數位的和並生成正確進位的電路。
全加器（full adder）：計算兩個數位的和，並考慮進位輸入的電路。

（3)多路複用器

多路複用器（multiplexer）：使用一些輸入控制信號決定用哪條輸入數據線發送輸出信號的電路。
多路分配器是執行相反操做的電路。也就是說，它只有一個輸入，根據n條控制線的值，這個輸入值信號將被髮送到2^n個輸出。

10.存儲器電路

11.集成電路

集成電路（integrated circuit）：又稱芯片（chip)，是嵌入了多個門的硅片。

• SSI（小規模集成）：1~10個門
• MSI（中規模集成）：10~100個門
• LSI（大規模集成）：100~100000個門
• VLSI（超大規模集成）：多於100000個門

12.CPU芯片

CPU是一種具備輸入線和輸出線的高級電路。

13.小結

因爲咱們討論的是使用二進制信息的數字計算機，因此只關注兩個電平範圍，它們分別表示爲二進制數字1或0。電流由稱爲門的電子設備操縱，門負責執行基本的邏輯運算，如非運算、與運算和或運算。門是由一個或多個晶體管建立的，晶體管的發明使計算學發生了翻天覆地的變化。
把一個門的輸出做爲另外一個門的輸入能夠把門組合成電路。仔細設計這些電路，能夠建立出能執行更復雜任務（如求和、多路複用和存儲數據）的設備。門的集合（或者說完整的電路）經常被嵌入一個集成電路（或芯片）中，這引出了中央處理器的而概念。

我的收穫

懂得了識別基礎的門並描述每種門的行爲，同時學習了用布爾表達式、真值表和邏輯框圖描述們和電路的行爲

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第五章 計算部分

1.獨立的計算機部件

2.存儲程序的概念

1944年至1945年實現數據和操做數據的指令的邏輯一致性，並且它們能存儲在一塊兒，這是計算機歷史上的一個主要定義點。這個原理就是著名的馮·諾伊曼體系結構，基於這個原理的計算機設計還是當前計算機的基礎。

（1）馮·諾伊曼體系結構

部件：

• 存放數據和指令的內存單元
• 對數據執行算術和邏輯運算的算術邏輯單元
• 把數據從外部世界轉移到計算機中的輸入單元
• 把結果從計算機內部轉移到外部世界的輸出單元
• 擔當舞臺監督，確保其餘部件都參與了表演的控制單元

內存
內存是存儲單元的集合，每一個存儲單元有一個惟一的存儲地址。
可編址性（addressability）：內存中每一個可編址位置存儲的位數。

算術邏輯單元
算術邏輯單元（Arithmetic/Logic Unit,ALU)：執行算術運算（加法、減法、乘法和除法）和邏輯運算（兩個值的比較）的計算機部件。
寄存器（register）：CPU中的一小塊存儲區域，用於存儲中間值或者特殊數據。

輸入/輸出單元
輸入單元（input unit）：接受要存儲在內存中的數據的設備，是使外界數據和程序進入計算機的進入計算機的設備。
現代的輸入設備包括鍵盤、鼠標和超級市場使用的掃描設備。
輸出單元（output unit）：一種設備，用於把存儲在內存中的數據打印或顯示出來，或者把存儲在內存或其它設備中的信息製成一個永久副本，是使外界使用存儲在計算機上的結果的設備。
最經常使用的輸出設備是打印機和顯示器。

控制單元
控制單元（control unit）：控制其餘部件的動做，從而執行其餘指令的寄存器。
指令寄存器（Instruction Register,IR):存放當前正在執行的指令的寄存器。
程序計數器（Program Counter,PC):存放下一條要執行的指令的地址的寄存器。
中央處理器（CPU）：算術邏輯單元和控制單元的組合，是計算機用於解釋和執行指令的「大腦」。
總線寬度（bus width）：能夠在總線上並行傳輸的位數。
緩存（cache memory）：一種用於存儲經常使用數據的小型高速存儲器。
流水線（pipelining）：一種將指令分解爲能夠重疊執行的小步驟的技術。
主板(motherboard):我的計算機的主電路板。

（2）讀取-執行週期

步驟：

• 讀取下一條指令
• 譯解指令
• 若是須要，獲取數據
• 執行指令

（3）RAM和ROM

RAM（隨機存取存儲器）是一種每一個存儲單元（一般是１字節）都能被直接訪問的內存。　　　　　　　　　　　　　　　　
注：訪問每一個存儲單元的本質是改寫這個存儲單元的內容。
ROM（只讀存儲器）中的內容不能更改，是永久的，存儲操做不能改變他們。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
注：把位組合放在ROM中稱爲燒入。只有在製造ROM或裝配計算機時才能燒入位組合。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

（4）二級存儲設備

舉例：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
磁帶　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
缺點：若是要訪問磁盤中間的數據，則必須訪問這個數據以前的全部數據並丟棄它們。　　　　　　　　　　　　　　　　　　
磁盤　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
磁盤驅動器是CD播放器和磁帶錄音機的混合物。　　　　　　
磁道（track）：磁盤表面的同心圓。　　　　　　　　　　　
扇區（sector）：磁道的一個區。　　　　　　　　　　　　　
塊（block）：存儲在扇區中的信息。　　　　　　　　　　　
尋道時間（seek　time）：讀寫頭定位到指定的磁道所花費的時間。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
等待時間（latency）：把指定的扇區定位到讀寫頭之下所花費的時間。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
存取時間（access　time）：開始讀取一個數據塊以前花費的時間，即尋道時間和等待時間之和。　　　　　　　　　　　　　
傳送速率（transfer　rate）：數據從磁盤傳輸到內存的速率。
柱面（cylinder）：全部磁盤表面的同心磁道的集合。
CD和DVD
閃存
閃存是一種可寫入可擦除的非易失性計算機存儲器。
閃存被用於製做固態硬盤（SSD），固態硬盤可以直接取代普通硬盤。

（5）觸摸屏

它顯示文本和圖形的方式與常規的顯示器相同，此外它還能探測到用戶在屏幕上用手指或書寫筆的觸摸，並做出響應。
觸摸屏並不是只能檢測到觸摸，它還能知道觸摸屏幕的位置。
實現觸摸屏的技術：

• 電阻式觸摸屏
• 電容式觸摸屏
• 紅外觸摸屏
• 表面聲波（SAW）觸摸屏

3.嵌入式系統

4.並行體系系統

(1)並行計算

形式：

• 比特級
  比特級的並行是基於增長計算機的字長。
• 指令級
  指令級的並行是基於程序中的某些指令可以同時獨立的進行。
• 數據級
  數據級並行基於同一組指令集同時對不一樣的數據集執行。
  同步處理（synchronous processing）：多處理器將同一個程序應用於多個數據集。
• 任務級
  任務級的並行是基於不一樣的處理器能在相同或不一樣的數據集上執行不一樣的操做。
  共享內存並行處理器（shared memory parallel processor）：多個處理器共享總體內存的狀況。

（2）並行硬件分類

並行硬件的類別反映了並行計算的不一樣類型。多核處理器有多個獨立的核心，它們一般是中央處理（CPU）。超標量處理器能向執行單元發出多條指令，而多核心處理器能向不一樣的執行單元發出不一樣的指令。也就是說，每一個獨立的核心可以包含多個執行單元。
對稱多處理器（SMP）包含多個相同的核心。它們共享內存，而且經過一個總線相連。一個對稱多處理器的核心數量一般限制在32個之內。分佈式計算機包含多個內存單元，它們經過網絡相連。集羣是由一組獨立的機器經過已有的網絡相連而造成的計算機。這種設備一般包含超過1000個處理器。

小結

• 計算的世界充斥着各類術語和縮寫
• 馮·諾伊曼體系結構是當今大多數計算機的底層體系結構
• RAM和ROM是兩種計算機內存的縮寫
• 二級存儲設備對計算機系統來講相當重要
• 觸摸屏是一種外圍設備，同時具有輸入和輸出功能，適用於餐廳和信息亭這種特定環境。

我的收穫

瞭解了馮·諾伊曼機的部件和它們的功能，可以描述馮·諾伊曼機的讀取-譯解-執行週期，懂得如何組織和訪問計算機內存，以及命名和描述不一樣的輔助存儲設備，同時還學習了三種並行計算機的配置。