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

Posted 2020-12-20 apple200243

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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：

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：

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。