第三部分 硬件层
第四章 门和电路
4.1 计算机和电学
任何电信号都有电平。0-2伏是低电平，用0表示，2-5伏是高电平，用1表示。计算机中的信号被限制在这两个范围之内。
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。
描述门和电路的表示法有三种，互不相同却一样有效。
- 布尔表达式 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）：列出了所有可能的输入值和相关的输出值的表。
4.2门
- 非（NOT）门
- 与（AND)门
- 或（OR）门
- 异或（XOR)门
- 与非（NAND）门
- 或非（NOR)门
4.2.1 非门
如果非门的输入值是0，那么输出值是1；输入值是1，输出值是0.非门有时又叫做逆变器，因为它对输入值求逆。
在布尔表达式中，非操作由求反的值之后的“'”标记表示。有时也用求反的值上面的横杠表示这个运算。
非门的逻辑框图符号是一个末端具有小圆圈（叫做求逆泡）的三角形。输入和输出由流入和流出门的连线表示。有时线上有标记。
这三种表示法中，只有真值表真正定义了非门在各种情况下的行为。
4.2.2 与门
与门接收的信号是两个，这两个输入信号的值决定了输出信号。如果与门的两个输入信号都是1，那么输出是1：否则是0。
在布尔代数中，与操作由点（·）表示，有时用*表示。该运算符通常可以省略。
4.2.3 或门
或门有两个输入，如果都是0，那么输出是0，否则为1。 布尔代数中，由加号（+)表示。
4.2.4 异或门
两个输入值相等，输出为0。否则为1。
有时正规的或门又叫做同或门。异或门的俗语是“当我说或时，指的是这一个，或者另一个，而不是指它们两个”。
布尔代数符号⊕有时用来表示异或运算符，但也可以用其他运算符表示。
4.2.5 与非门和或非门
两者分别是与门和或门的对立，经过一个逆变器（非门），它们的输出相同。
与非门的布尔表达式是对与运算求逆。
逻辑框图符号多了一个求逆泡
4.2.6 门处理回顾
- 非门将对它的唯一输入值求逆。
- 如果两个输入值都是1，与门将生成1.
- 如果一个输入值是1，或两个输入值都是1，或门将生成1。
- 如果只有一个输入值是1而不是两个，异或门将生成1。
- 与非门生成的结果和与门相反。
- 或非门生成的结果和或门相反。
4.2.7 具有更多输入的门
门可以被设计为接受桑或更多个输入值。定义和具有两个输入值的门的定义相一致。
4.3 门的构造
晶体管（transister):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（既不是良导体也不是绝缘体的材料，如硅。
每个电信号都是有源的，如电池或墙上的插座。接地的电信号将被降低或减小到0伏。
晶体管具有三个接线端，即源极、基极和发射极。发射极通常被连到地线。在计算机中，源极制造的是高电平，约为5伏。基极值控制的门决定决定了是否把源极接地。接地则降为低电平。
晶体管只能是开（生成高电平）或关（生成低电平）两种状态。如果基极信号是高电平，源极信号将会被接地。
最容易创建的是非门、与非门和或非门。
要构造与门，只需把与非门的结果传递给一个逆变器（非门）即可。
4.4 电路
- 组合电路（combinational circuit):输出仅由输入值决定的电路。
- 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。
4.4.1 组合电路
把一个门的输出作为另一个门的输入，就可以把门组合成电路。
逻辑框图： 
真值表： 
布尔表达式：（AB+AC)
另一方面，A(B+C)
逻辑框图：
真值表：
电路等价（circuit equivalence):对应每个输入值组合，两个电路都生成完全相同的输出。
布尔代数的一些性质：
德·摩根定律
这个定律，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。即，对与门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把它们传入或门：
（AB)'=A'+B'
这个定律的第二部分用电路术语来说，就是对或门的输出求逆，等价于先对每个信号求逆，然后再把它们传入与门：
（A+B)'=A'B'
德·摩根定律和其他布尔代数性质为定义、管理和评估逻辑电路的设计提供了正确的机制。
4.4.2 加法器 ####
- 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。
实际上，我们计算的是两个输出结果，即和与进位。所以电路由两条输出线。和对应的是异或门，进位的是与门。因此，下列逻辑框图表示了半加器:
这个电路的布尔表达式：
和=A⊕B
进位=AB
半加器不会把进位（进位输入）考虑在计算之内，所以半加器只能计算两个数位的和，而不能计算两个多位二进制值的和。 - 全加器（full adder):计算两个数位的和，并考虑进位输入的电路。
可以用两个半加器构造一个全加器。即把从半加器得到的和与进位输入相加。
4.4.3 多路复用器
多路复用器（multiplexer):使用一些输入控制信号决定用哪条输入数据线发送输出信号的电路。根据称为选择信号或选择控制线的输入信号选择。
控制线s0、s1、和s2决定了用另外8条输入线（D0到D7）中的哪一条发送输出信号（F）。
一般来说，n条输入控制线的二进制值决定了选择2n条数据线中的哪一条作为输出。
多路分配器是执行相反操作的电路。它只有一个输入，根据n条控制线的值，这个输入信号将被发送到2n个输出。
4.5 存储器电路
数字电路的另一个重要作用是可以用来存储信息，这些电路构成了时序电路，因为这种电路的输出信号也被用作电路的输入信号。也就是说电路的下一个状态是由当前状态决定的。存储器电路有很多种。其中之一是S-R锁存器。用不同的门可以设计。小心控制S和R的值，电路就可以存储0或1。把这个思想扩展至较大的电路，就可以设计出容量较大的存储器设备。
4.6 集成电路
- 集成电路（intergrated circuit):又称芯片（chip），是嵌入了多个门的硅片。这些硅片被封装在塑料或陶瓷中，边缘有引脚，可以焊接在电路板上或插入合适的插座中。每个引脚连接着一个门的输入或输出，或者连接着电源，或者接地。
IC是根据门数分类的。这些分类也反映了发展史。
缩写 名称 门数量
SSI 小规模集成 1~10
MSI 中规模 10~100
LSI 大规模 100~100000
VLSI 超大规模 多于100000
4.7 CP芯片
CPU是一种具有输入线和输出线的高级电路。每个CPU芯片都有大量的引脚，计算机系统的所有通信都是通过这些引脚完成的。这些通信把CPU和本身也是高级电路的存储器与I/O设备连接在一起。
关于CPU的处理和它与其他设备之间的交互属于构建体系系统。
第五章 计算部件
5.1 独立的计算机部件
CoreTM(酷睿2）是一种处理器，DUO代表了单个芯片中集成了两个这样的处理器（称为“核”）。2.66GHz代表处理器的处理速度。GHz中的G是 giga的简写，表示十亿的公制前缀。Hz代表赫兹，是衡量每秒频率的单位。
时钟集中生成一系列电脉冲,它用来保证所有动作的协调。这一处理器中的时钟每秒脉冲26.6亿次。
一个处理器需要访问内存和输入、输出设备，这是通过被称为总线的一组电线实现的。一台计算机有许多不同的总线，但是处理器和外界的主要连线称为前段总线（FBS）。
6MB cache（缓存），MB代表兆字节，一个字节是储存的一个单元，一兆字节是220(比100万多一点）字节。所以6MB代表6兆字节的缓存单元。缓存是通常集成在处理器芯片内部的小型、快速的存储介质。因此，两个处理器能直接访问6MB的缓存空间而不需要使用前端总线。处理器的许多准备从内存读取的请求内容都能从缓存中找到。仅仅当缓存中没有所需数据 时才会使用前端总线。所以前端总线的处理速度才可以比处理器慢而不会影响处理器的处理速度。
更快的时钟、更快的前端总线和更大的缓存空间似乎能使计算机更强大，但是处理器运行的越快，消耗的电能也越多，会导致电路过热并关机。更快的前端总线需要更快的外界设备的支持，意味着制造它们的电路会产生更大的花销。缓存空间越大，对其数据访问的就越慢，会导致处理器速度的降低。
15.6''指的是显示区域对角线的长度。High Definition（1080p）（高分辨率（1080p））说明显示器具备显示具有1080水平行显示元素的能力。这并不完全真实，显示器被描述为具有LED背光的液晶屏幕（LED Backlit LCD Display)。LED正在代替微型荧光灯泡的使用。它的寿命更长而不会越来越暗，而且不含毒金属汞。1366×768指的是屏幕的像素分辨率。垂直方向的像素比1080少，因为电脑会把具有1080行的高分辨率视频来源进行压缩，以使其适应具有768行的屏幕。
图形处理器（GPU）是一个独立的计算机，它甚至比主流的处理器更强大。游戏和其它图形软件向GPU发送指令，使GPU操纵屏幕上的图像，以减轻CPU的负载。GPU在自己的内存中心中记录屏幕图像的数据，内存容量越大，越能更好的完成复杂图像处理、支持外部显示设备等工作。
2.0MP表明摄像头的分辨率。
随机访问存储器（RAM)，也被称为主存储器。 随机访问意味着内存的每一字节都能被直接访问，而不必从最开始的字节开始访问。shared（共享）意味着两个处理器都能访问这个内存。D花了 Channel DDR2（双通道DDR2）是内存的类型，它提供两个访问路径（称为通道），DDR2代表第二代、双数据率。
硬盘驱动器，它是计算机二级存储器（也称辅助存储器）的通俗名称。磁盘使用一个SATA接口，代表串行ATA。串行意味着数据是以单独的比特流的形式写入或读出，而不是更古老的通过16根传输线一次传送16比特（并行ATA）的方法。串行ATA不但速度快，而且制作成本低廉，能达到300MB的传输速度。
硬盘正逐渐被电子辅助存储器取代，这种存储器叫做固态硬盘（SSD）。固态硬盘所使用的技术类似于内存，但当切断电源时数据不会丢失，由于没有运动部件，它具有更快的速度和更低的电能消耗。
DVD驱动器。8×意味着能以比DVD电影播放器快8倍的速度从DVD读取数据。slot load（槽式加载）意味着你能将DVD直接插入笔记本电脑边缘的一个狭缝，而不是一个抽屉。DL代表双层，意味着DVD驱动器能够读取第二代DVD。通过两层记录表面，第二代DVD能够存储普通DVD两倍的数据。-R和+R代表两种标准，因此+/-代表两种标准都能读取。一个+/-R类型只能进行一次数据写入，之后能够读取任意次。笔记本正开始转向一种更新型的蓝光格式。
802.11是由专业的工程协会一一电气和电子工程师协会（IEEE)定义的一个标准的代号。这一标准有三种被接受的版本，分别是a、g和n。最初的802.11a。802.11g版本支持更长距离的通信，但是速度却稍慢。802.11n同时实现了更长的距离和更快的速度。蓝牙是另一种形式的无线网络，它适合于更近的范围，信号也相对弱一点。蓝牙有多个版本的标准，每一个都增加了许多特性。
使用了基于金属锂的特殊技术的电池来提供高电能存储容量。这种笔记本的电能的电池能储存85瓦·时的电能。更高的电池容量也意味着体积和重量的增加。
端口。
重量大的笔记本电脑能达到八磅，有时被称为台式机替代品。一般要减轻重量，尺寸也要相应缩小，且必须放弃一些功能，电池的寿命也会相应减少。通过塑料代替铝也可以实现减重，但是成本会更高。
引用存储量时使用了2的幂而引用存储时间使用10的幂。
5.2 存储程序的概念
5.2.1 冯·诺依曼体系结构
处理信息的部件独立于存储的部件。 冯·诺依曼体系结构的部件：
- 存放数据的内存单元
- 对数据执行算术和逻辑运算的算术逻辑单元
- 把数据从外部世界转移到计算机中的输入单元
- 把结果从计算机内部转移到外部世界的输出单元
- 担当舞台监督，确保其他部件都参与了表演的控制单元
- 可编址性（addressability):内容中每个可编址位置存储的位数。
- 算术逻辑单元（ALU）：执行算术运算（加减乘除）和逻辑运算（两个值的比较）的计算机部件。
- 寄存器（rejister）：CPU中的一小块存储区域，用于存储中间值或特殊数据。
- 输入/输出单元
- 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 unit):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。
- 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)：存放吓一跳要执行的指令的地址的寄存器。
- 总线宽度 （bus width）：可以在总线上并行传输的位数。
- 流水线是一种加速读取-执行周期的技术。该技术将一条指令分解成更小的步骤，这些小步骤可以重叠执行。
n位处理器中变量n通常指的是CPU一般寄存器中的位数灵两个n位的数字能通过一条指令相加。它同样也能表示总线的地址宽度，也就是可寻址的内存大小，但并非总是如此。n也能表示数据总线的宽度，但并不总是如此。
5.2.2 读取——执行周期
- 读取下一条指令
- 译解指令
- 如果需要，获取数据
- 执行指令
5.2.3 RAM和ROM
RAM（随机存取存储器）是一种每个存储单元（通常是１字节）都能被直接访问的内存。
注：访问每个存储单元的本质是改写这个存储单元的内容。
ROM（只读存储器）中的内容不能更改，是永久的，存储操作不能改变他们。
注：把位组合放在ROM中称为烧入。只有在制造ROM或装配计算机时才能烧入位组合。
5.2.4 二级存储设备
举例：磁带
缺点：如果要访问磁盘中间的数据，则必须访问这个数据之前的所有数据并丢弃它们。
磁盘
磁盘驱动器是CD播放器和磁带录音机的混合物。
磁道（track）：磁盘表面的同心圆。
扇区（sector）：磁道的一个区。
块（block）：存储在扇区中的信息。
寻道时间（seek time）：读写头定位到指定的磁道所花费的时间。
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。
CD和DVD
闪存闪存是一种可写入可擦除的非易失性计算机存储器。
闪存被用于制作固态硬盘（SSD），固态硬盘能够直接取代普通硬盘。
5.2.5 触摸屏
它显示文本和图形的方式与常规的显示器相同，此外它还能探测到用户在屏幕上用手指或书写笔的触摸，并作出响应。触摸屏并非只能检测到触摸，它还能知道触摸屏幕的位置。
实现触摸屏的技术：
- 电阻式触摸屏
- 电容式触摸屏
- 红外触摸屏
- 表面声波（SAW）触摸屏
5.3 嵌入式系统
5.4 并行体系系统
5.4.1 并行
计算 ####
形式：
- 比特级
比特级的并行是基于增加计算机的字长。 - 指令级
指令级的并行是基于程序中的某些指令能够同时独立的进行。 - 数据级
数据级并行基于同一组指令集同时对不同的数据集执行。
同步处理（synchronous processing）：多处理器将同一个程序应用于多个数据集。 - 任务级
任务级的并行是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。
共享内存并行处理器（shared memory parallel processor）：多个处理器共享整体内存的情况。
5.4.2并行硬件分类
并行硬件的类别反映了并行计算的不同类型。多核处理器有多个独立的核心，它们通常是中央处理（CPU）。超标量处理器能向执行单元发出多条指令，而多核心处理器能向不同的执行单元发出不同的指令。也就是说，每个独立的核心能够包含多个执行单元。
对称多处理器（SMP）包含多个相同的核心。它们共享内存，并且通过一个总线相连。一个对称多处理器的核心数量通常限制在32个以内。分布式计算机包含多个内存单元，它们通过网络相连。集群是由一组独立的机器通过已有的网络相连而形成的计算机。这种设备通常包含超过1000个处理器。