第4章 门和电路

4.1 计算机和电学

任何电信号都有电平。

4.2 门

门（gate）：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（circuit）：相互关联的门的组合，用于实现特定的逻辑函数。

门和电路的三种表示方法：
  • 布尔代数（Boolean algebra）：表示二值逻辑函数的数学表示法
  • 逻辑框图（logic diagram）：电路的图形化表示，每种类型的门有自己专用的符号。
  • 真值表（truth table）：列出了所有可能输入值和输出值的表。
门的6种类型：
  • 非（NOT）门：有时叫逆变器，对输入值求逆（X=A’）
  • 与（AND）门：A·B或AB或A*B
  • 或(OR)门：同或门（A+B）
  • 异或（XOR)门
  • 与非（NAND)门：与门加上逆变器
  • 或非（NOR）门：或门加上逆变器

4.3 门的构造

晶体管（transistor）：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（semiconductor）：既不是良导体也不是绝缘体的材料。

晶体管具有三个接线端，即源极、基极和发射极。
发射极通常连接到地线，原极制造高电平约5v，基极控制原极是否接地，接地则降为0，未接地则保持高电平。

4.4 电路

组合电路（combinational circuit）：输出仅为输入值决定的电路。

时序电路（sequential circuit）：输出是输入值和电路当前状态的函数的电路。

电路等价（circuit equivalence）：对应每个输入值组合，两个电路都生成而完全相同的输出。

与、或的性质：交换律、结合律、分配率、恒等、补、德·摩根定律。

  • 德·摩根定律：
    • 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
    • 对两个变量的或操作进行非操作，等于对每个变量进行非操作后在对它们进行与操作。

加法器（adder）：对二进制值执行加法运算的电路。

半加器（half adder）：计算两个数位的和并生成正确进位的电路。

全加器（full adder）：计算两个数位的和，并考虑进位输入的电路。

多路复用器（multiplexer）：使用一些控制信号决定用那条输入数据线发送输出信号的电路。n条输入控制线决定2^n条数据线中哪个作为输出。
多路分配器：执行上述相反操作的电路。

4.5存储器电路

数字电路的另一个重要作用用于存储信息，这些电路构成时序电路
定义：电路的输出信号也被用作输入信号，下一个状态是由当前状态决定的。

4.6 集成电路

集成电路（integrated circuit）：又称芯片（chip)，是嵌入入了多个门的硅片。

第5章 计算部件

5.1 独立的计算机部件

1、在计算机中，会有一个称为时钟的部件集中生成一系列电脉冲，来保证所有动作的协调。
2、处理器和外界的主要连线称为前端总线（FSB)。
3、随机访问储存器（RAM），也被称为主储存器。共享意味着两个处理器都能访问这个储存器。
4、硬盘驱动器是计算机二级存储器，高转速能更快的传输信息。
5、硬盘正在被电子辅助存储器（固态硬盘）取代，该技术类似于内存，但是当切断电源时固态硬盘中的数据不会丢失。
6、图形处理器(GPU)

5.2 存储程序的概念

冯·诺依曼体系结构

  • 特征：
    • 数据和操作数据的指令的逻辑一致性，能存储在一起
    • 处理信息的部件独立于存储信息的部件。
  • 体系的结构部件
    • 输入设备：从外部世界输入
    • 中央处理器：
      控制单元：确保其他部件正常运作
      算数/逻辑单元：对数据执行算数和逻辑运算
    • 内存单元：存放数据和指令
    • 输出设备：输出给外部世界
  • 连接方式：由总线连接，数据在总线中传递。每条总线携带三种信息：地址、数据和控制信息。
    • 地址：选择内存位置或设备以决定数据的流向或者数据的来源
    • 控制信息：管理地址和数据的流向

可编址性（addressability）：内存中每个可编址位置存储的位数。

算数/逻辑单元（ALU）：执行算数运算和逻辑运算的计算机部件。

寄存器（register）：CPU中的一小块存储区域，用于存储中间值或特殊值，用于存放立刻会被再次用到的信息。

输入单元（input unit）：接收要存储在内存中的数据的设备。

输出单元（output）：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。

控制单元（Control unit）：控制其他部件的动作，从而执行指令序列的计算机部件。

  • 控制单元包含的两种特殊寄存器：指令寄存器、程序计数器。

    • 指令寄存器（Instruction Register，IR）：存放当前正在执行的指令的寄存器。

    • 程序计数器（Program Counter，PC）：存放下一条要执行的指令的地址的寄存器。

中央处理器（CPU）：算数/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（bus width）：可以在总线上并行传输的位数。越宽一次能传输的数据越多。

缓存（cache memory）：一种用于存储数据的小型高速存储器。读取内存速度比处理器慢得多

流水线（pipelining）：一种指令分解为可以重复执行的小步骤的技术。

主板（motherboard）：个人计算机的主电路板。

处理周期中的四个步骤步骤如下：

  • 读取下一套指令

  • 译解指令

  • 如果需要，获取数据

  • 执行指令

磁道（track）：磁盘表面的同心圆。

扇区（sector）：磁道的一个区。
每个扇区存放的位数相同，越靠近圆心的数据块数据排放的越密集。

块（block）：存储在扇区中的信息。

衡量磁盘驱动器效率的四种方法：寻道时间、等待时间、存取时间和传送速率。

  • 寻道时间（seek time）：读/写头定位到指定的磁道所花费时间。

  • 等待时间（latency）：把指定的扇区定位到读/写头之下所花费的时间。

  • 存取时间（access time）：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。

  • 传送速率（transfer rate）：数据从磁盘传输到内存的速率。

柱面（cylinder）：所有磁盘表面的同心磁道的集合。
磁盘的分类：硬盘和软盘

  • CD
    • CD-DA 录音采用的格式，某些域用于时间安排信息。
    • CD-ROM 数据永久储存，不能改变
    • CD-R 可记录的光盘，允许写入数据，数据记录一次就不能改变
    • CD-RW 可重写的光盘

闪存：或称U盘，是一种可写入可擦除的非易失性计算机储存器。闪存也被用于制作固态硬盘。

触摸屏的类型：电阻式，电容式，红外，表面声波。（戴手套的手指不能使用电容式触摸屏）

5.4 并行计算

并行计算有四种一般的形式：位级、指令级、数据级和任务级。

同步处理（synchronous processing）：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（shared memory parallel processor）：多个处理器共享内存的情况。