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2020-2021-1学期 20202427 《网络空间安全导论》第二周学习总结

时间:2020-10-26 11:07:04      阅读:21      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:同心圆   执行   code   法则   相对   缺点   基本   保留   闪存   

第二周学习了计算机的硬件层,对计算机如何实现计算有了全新的认识。本章涉及的知识非常广泛,涉及到电学的知识,所以有些部分感到很生涩,还需老师多指导。

第四章:门和电路

一,计算机本质上由0和1决定信息,而0和1是由电平决定的。一般来说,0~2V的电压是低电平,由0表示,2~5V的电压是高电平,由1表示。

二,门是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。电路是相互关联的门的组合,用于实现特定的逻辑函数。

三,描述门和电路的方法有三种:

1,布尔表达式。布尔表达式以一个等式的方式表达了输出和输入的关系,其巧妙之处在于其符合一定的性质,允许我们利用可证明的数学法则来设计逻辑电路。具体性质如下:

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注意,对每个输入值组合,两个电路都生成完全相同的输出,我们称这两个电路等价。上述性质表述了哪些电路是可以看作等价的。

2,逻辑框图符号。逻辑框图符号是门的抽象表示。

3,真值表。真值表是将输入和对应的输出分别完整地列出的表格,非常直观地反映了门的逻辑。

四,门的分类。

1,非门。

非门的三种表达如下。

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非门执行的是求逆的操作,一个输入,一个输出。

2,与门。

与门的三种表达如下。

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与门的输入有两个,可以理解为A和B相乘得X。

3,或门。

或门的三种表达如下。

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同理,或门可理解为A+B=X,但注意1+1=1比较特殊。

4,异或门。

异或门的三种表达如下。

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异或门可理解为输入相同则输出零,输入不同则输出1。

5,与非门和或非门。

与非门和或非门表达分别如下。

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其实是与门和或门的结果求逆。

五,门的构造。

门的结构基础是晶体管。晶体管是由半导体硅构成的,半导体独特的物理化学性质使之成为信息处理的不二之选。

具体而言,半导体在遇到高压(相对的)电流流过时,保持连接状态,如果遇到低压电流,则断开。具体的机理属于物理化学范畴,计算机只是利用这个特性进行计算。如图:

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一个最简单的晶体管结构如上图,源极始终是5V高电压,输出的电压由基极决定。基极是高压,则接通,源极接地,输出低压;基极是低压,则断开,输出将是高压。

不同的门由晶体管组合而成,电路由不同的门组合而成。

六,实例。

加法器:

加法器是对二进制值执行加法运算的电路。其中,半加器不能考虑进位输入,而全加器考虑进位输入。半加器进行异或门运算得到和,进行与运算得到进位。全加器可以理解为“两个半加器”,应为其考虑进位输入。具体结构不再赘述。

第五章:计算部件

一,我们通过翻译一则笔记本电脑的广告开始对计算机部件的介绍。如图:

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我们选择其中重要的内容进行阐述。

1,中央处理器(CPU)类型:i5。

2,CPU运行速率:2.5GHz(25亿次每秒)。FSB(CPU访问前端总线的频率):1066MHz(约十亿次每秒)。

3,GPU:独立的图形处理器,主要负责游戏和其他图形软件的指令,并很快地操纵屏幕上的图像,以减轻中央处理器的负载。

4,硬盘驱动器:二级存储器(也称辅助存储器),空间:1TB(1万亿字节)。硬盘是会旋转的,一般更高的转速会有更快的运行速度,但更耗电。硬盘正在被电子辅助存储器取代,其也称作固态硬盘。固态硬盘技术类似于内存,但当计算机关闭时固态硬盘中的数据不会丢失。

二,冯 诺依曼体系结构。

结构简图如下:

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1,内存。

内存是存储单元的集合。

可编址性:内存中每个可编址位置存储的位数。每个储存单元需要一个地址以方便寻找。

2,算数/逻辑单元。

算数/逻辑单元能执行基本的算数运算,如四则混合运算或逻辑运算。

注意:计算机的字长是算数/逻辑单元一次能处理的位数,而之前提到字中的位数即时计算机字长,由此推出计算机一次处理一个字。

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。寄存器能容纳一个字,用于存放立刻会被再次利用的信息。访问寄存器比访问内存快得多。

3,输入/输出单元。

输入/输出单元是计算机与外部世界沟通的渠道。

4,控制单元。

控制单元是是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,指令寄存器存放当前正在执行的指令;程序计数器存放下一条要执行的指令的地址。控制单元和ALU协作非常紧密,常被视为一个单元,被称为中央处理器(CPU)。

5,读取—执行周期。

周期分为以下四个步骤:

a,读取下一条指令。程序计数器存放下一条指令的地址,因此控制单元将访问程序计数器,复制其中的内容放入指令寄存器。给程序计数器加一就可以把下一条指令地址存入程序计数器。

b,译解指令。在此阶段,指令将被译解成控制信号。

c,被执行的指令要完成任务,可能需要额外的内存访问。

d,执行指令。

三,其他存储设备。

1,RAM和ROM。

RAM:随机存取存储器,每一个存储单元都就能被直接访问。

ROM:只读存储器,其中的内容不能更改,是永久的,只有在制造或装配计算机时才能烧入位组合。

注意:主存通常包含一些ROM和通用的RAM;ROM中的位组合是永久性的,而RAM关闭电源后不再保留它的位配置。

2,磁带。

磁带驱动器的严重缺点:若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。

3,磁盘。

磁盘是由磁制材料制成的薄磁盘,是CD播放器和磁带录音机的混合物。磁盘表面被逻辑划分为磁道和扇区,磁道是磁盘表面的同心圆,每个磁道被划分为几个扇区。

衡量磁盘驱动器效率的方法:寻道时间,等待时间,存取时间,传送效率。平均等待时间是磁盘旋转一周所需时间的一半。

两类磁盘:a,软盘。现代计算机 不再使用软盘,它被可移动存储设备如闪存盘取代。b,硬盘。硬盘由几个连接在旋转主轴上的磁盘片构成,每个磁盘片有自己的读写头。硬盘上的地址由柱面编号,表面编号,扇区构成。

4,CD。

CD驱动器使用激光读取存储在塑料盘片上的信息。CD-ROM是只读存储器的缩写,CD-DA是数字音频光盘的缩写。CD-R代表可记录的光盘,CD-RW代表可重写的光盘。

5,DVD。

DVD代表数字化多功能光盘,很适合记录音频和视频结合的多媒体文件。注意:蓝光格式的DVD容量较普通格式大。

6,闪存。

闪存又称为U盘,作为软盘的替代品。

四,嵌入式系统。

嵌入式系统是为完成小范围功能而专门设计的计算机。嵌入式系统无处不在,大多是用来完成专门用途而将整个电路当做一个单独的程序实施。

现在此术语指代任一预编程的,为了完成某一特殊用途的,作为大型系统一部分的计算机。

注意:程序不能在嵌入式系统本身之中开发,测试,程序需编写并烧入系统包含的只读内存中。

五,并行体系结构。

并行计算的四种形式:

a,位级:位级的并行是基于增加计算机的字长。增加字长能减少操作步骤。

b,指令集:基于程序中的某些指令能够同时独立地进行。例如能同时处理相互无关的数据。

c,数据级:基于同一组指令集能同时对不同的数据集执行,即“单指令多数据”,这种方法也称同步处理。例如同时对几百万像素中每个像素点都增加亮度。

d,任务级: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。简单来说,第一个处理器进行第一项任务,第二个处理器处理前一个处理器的输出结果,以此类推,形成流水线模式的处理器。

 

小结

计算机硬件层理解起来着实有难度,因为某些概念很抽象,不过经过近一周的理解,对很多术语有了全新的理解。

第二周学习了计算机的硬件层,对计算机如何实现计算有了全新的认识。本章涉及的知识非常广泛,涉及到电学的知识,所以有些部分感到很生涩,还需老师多指导。

2020-2021-1学期 20202427 《网络空间安全导论》第二周学习总结

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