晉博 2021/10/8

一、我所學到的

第4章 門和電路

計算機是電子裝置，他的大多數基礎硬體原件控制著電流。本章將探討如何用電訊號來表示和操作這些二進位制值。

4.1 計算機和電學

任何電訊號都有電平，一般0-2v為低電平，用二進位制0表示；2-5v為高電平，用二進位制1表示。

門是對電訊號執行基本運算的裝置。作用：接受一個或多個輸入訊號並生成輸出一個訊號。每種型別的們執行一個特定的邏輯函式。
電路是相互關聯的門的組合，用於實現特定的邏輯函式。
描述門和電路的表示法有以下三種：

• 布林表示法： 代數運算，既可通過數學符號定義和操作電路邏輯，同時其運算律對設計和優化邏輯電路具有重要作用。
• 邏輯框圖：電路的圖形化表示，更加直觀。
• 真值表：所有可能輸入值和相關輸出值的表。

4.2 門

門又被叫做邏輯閘，每種門都執行一種邏輯函式。

非(NOT)門

又稱逆變器，因為它對輸入值求逆

與（AND）門

或（OR）門

又稱同或門

異或（XOR）門

與非（NAND）門

或非（NOR）門

可認為分別對與運算和或運算求逆。

門處理總結

• 非門對唯一輸入值求逆
• 如果兩個輸入值都是1，則與門才會輸出1
• 至少一個輸入值為1，則或門生成1
• 只有一個輸入值為1，則異或門生成1
• 與非門輸出結果和與門相逆
• 或非門輸出結果和或門相逆

4.2.7 更多輸入的門

輸入資料較兩個輸入資料的門更多，但定義不變。

n個不同輸入值有2^n種0和1的組合，決定了真值表的行數

4.3 門的構造（硬體層面門的是實現）

電晶體
作為導線或電阻器的裝置，其連線如圖：

由輸入訊號的電平決定它的作用：

• 若輸入高電平，則基極導通，輸出端接地，電平為低電平；
• 若輸入低電平，則基極斷開，輸出端接源極，電平為高電平。
  （與非門功能相同，故做逆運算較為合適)

故與門比與非門多需要一個逆變器來對結果取反。

4.4 組合電路

瞭解了門如何工作及其構造,就可以瞭解它們如何組成電路.

電路的分類:

組合電路:輸出只由輸入值決定而與電路狀態無關.
時序電路:輸出是輸入值和電路當前狀態的函式.

組合電路

檢視組合電路程式框圖的辦法:倒著反推出輸入值
用布林表示式可瞭解電路邏輯,同時可以通過代數運算設計更加優化的邏輯電路.以下為布林代數的一些性質：

下面為一些重要的組合電路。

加法器

加法器：對二進位制值進行加法運算的電路。
半加器：計算兩個數位的和並生成正確進位的電路。（實際上計算的是和與進位兩個輸出結果。）
加法的實現：通過真值表，我們發現：和可用異或門建立，而進位則用與門

但在常規加法運算中，除了最右邊的一位，其他位上的加法都要遇到右邊一位進位的問題。此時使用半加器不能輸出正確結果，故全加器因此產生。全加器在由兩個半加器共3個輸入資料構造而成。位上的數通過半加器相加後輸出的和與進位作為新的輸入資料輸入異或門實現求和，這個輸出的和同時與進位通過一個或門輸出實現進位。

全加器：計算兩個數位的和，並考慮進位輸入的電路。

多路複用器

多路複用器是使用一些輸入訊號以決定用哪條輸入資料線傳送輸出訊號的電路。分為控制線和輸入線。控制線按順序排列表示一個二進位制數字的不同數位，這個數字與輸入線的編號關聯起來控制輸出。

例：三根輸入線可表示8種不同狀態，從而可控制8條輸入線。

由於多路複用器的這一性質，其在大規模積體電路中對於提高門-引腳比具有重要作用。

多路分配器則扮演了一個相逆的過程。1條輸入--》傳送到2^n個輸出。

4.5 儲存器（時序電路）

數位電路的一個重要作用就是儲存資訊，它們構成了輸出訊號也可被用作輸入訊號的時序電路。

S-R鎖存器是其中之一，其能夠使兩個輸出X和Y總互補。X在任意時間點的值都被看做電路的狀態，故若X=1，則儲存的就是1；為0則是0.當S和R都為1時，X就保留它的值，實現儲存。

4.6 積體電路

又稱晶片，是嵌入了多個門的矽片，邊緣有引腳。

4.7 CPU

電腦中最重要的積體電路，具有輸入線和輸出線。

第5章 計算部件

本章主要講述了計算機主要硬體的概念及舉例。

5.1 引入

常用的計量方式：

5.2 儲存程式的概念

5.2.1馮 諾依曼體系結構

實現了資料和操作資料的指令的邏輯一致性，且能夠儲存在一起，同時將處理資訊的部件獨立於儲存資訊的部件。至今仍是計算機設計的基礎。這一結構的部件如下：

• 把資料從外部轉移到計算機內部的輸入單元
• 控制單元
• 執行算數和邏輯運算的算術/邏輯單元
• 存放資料和指令的記憶體單元
• 將資料從計算機內部轉移到外部的輸出單元

1.記憶體

儲存單元的集合，每個儲存單元有一個唯一的實體地址。統稱為單元（不同機器中可編址的位置的位數（可編址性）不同故稱為單元）。

資訊在記憶體中被儲存為一段位的組合，要確定 位組合 表示的資訊，要給它們解釋。
位都是從0開始並從右到左進行編號的

以可定址能力8（）每一位元組都可單獨定址為例：
7 6 5 4 3 2 1 0 《--位位置
1 0 1 0 1 0 1 0 《--內容

2. 算數/邏輯單元

ALU執行基本的算數運算，其操作的是字，即與特定計算機相關聯的資料的自然單位。

字的大小與計算機系統有關：32位系統1字=4位元組，64位系統1字=8位元組（取決與暫存器中的位數，也與匯流排寬度和匯流排地址寬度）

ALU中有少量的特殊儲存單元，較暫存器，能夠容納一個字，用於存放立刻被再次利用的資訊

儲存讀取速度：暫存器>快取記憶體(用來儲存常用資料的小型高速儲存器)>記憶體(執行速度小於CPU)>硬碟，由於造價，儲存大小排名相反

3.輸入/輸出單元

接受/列印，顯示或儲存資料的裝置

4.控制單元

控制其他部件的動作,從而執行指令序列的計算機部件.掌管著讀取-執行週期.其中有兩種特殊的暫存器,即指令暫存器(存放正在執行的指令)和程式暫存器(存放下一條要執行的程式的地址)
ALU和控制單元由於協作十分緊密被看作一個單元,即CPU

5.其他

馮 諾依曼機中各個部分的資訊流:
組成部分由一組電線連線而成,稱為匯流排,用來傳輸資料.可以在總線上並行傳輸的位數稱為匯流排寬度.

為了加速讀取-執行週期,產生了流水線這一技術.其將指令分解為了可以重疊的小步驟.

個人計算機中部件物理駐留在一個印刷電路板上.

5.2.2 讀取-執行週期

處理週期的四個步驟如下:

• 讀取下一條指令
• 譯解指令
• 如果需要,獲取資料
• 執行指令
  具體如圖:
  

5.2.3 RAM和ROM

RAM：每個儲存單元都能被直接訪問（儲存操作可以改變這個儲存單元的位組合）的記憶體，具有易失性。
ROM：儲存單元中的內容不可改變，具有永久性，一般用於儲存計算機自身啟動需要的指令以及經常使用的軟體。

5.2.4 二級儲存裝置

二級儲存裝置大部分主存都是易失、有限的，需要其它型別的儲存裝置當不再處理程式或關機時將其儲存起來。
每一種二級儲存裝置都是一種輸入和輸出裝置。

下列為幾種二級儲存裝置：

1. 磁帶
2. 磁碟
   表面都被邏輯分為磁軌（磁碟表面的同心圓）和扇區（磁軌的一個區），每個扇區存放一個資訊塊。
   讀/寫頭的讀寫過程決定了四種衡量計磁碟驅動器效率的方法：尋道時間，等待時間，存取時間和傳送效率。
   磁碟分為軟盤和硬碟，硬碟由幾個同軸的磁碟片構成，上下磁軌構成了一個柱面。
3. CD和DVD
4. 快閃記憶體

5.2.5 觸控式螢幕

同樣為輸入/輸出裝置

5.3 嵌入式系統

完成小範圍功能而專門設計的計算機

5.4 並行體系結構

1. 平行計算
   同步處理：多處理器將同一個程式應用於多個數據集
   共享記憶體並行處理器：多個處理器共享整體記憶體的情況
2. 並行硬體分類

二、我的收穫：

1.學習到了幾種常見的門並學會了分析電路的一種方法：結果導向原因；同時學會了使用描述門的三種方法來解決對應問題。
2.理解了電晶體的使用邏輯
3.引用儲存量時使用的是2的冪而引用儲存時間時使用的是10的冪，因為時間時用秒來表示的，所以可以用我們熟悉的十進位制表示。因為這個區別，所以在表示速度時，K=1000，而在表示儲存量時，K=1024

兩章的總結：

主要從硬體層面學習了計算機，一是從電路的實現瞭解了計算機對電訊號進行運算的方法，二是從計算機系統層面瞭解馮 諾依曼體系和對應部件的具體功能,粗略瞭解了其中的一些例子。

三、學習中遇到的困難及解決：

學習門的結構和鎖存器時不太瞭解電晶體的具體工作過程，剛好週六補課老師上課講到這塊知識之後結合自己的認識弄明白了其工作過程。

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