第四章 门和电路
4.1计算机和电学
任何电信号都有电平。02伏的电压是低电平，由二进制数字0表示，25伏范围内的电压是高电压，由二进制数字1表示。
- 门：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：由门组合而成的，可以执行更加复杂的任务。用于实现特定的逻辑函数。
- 布尔代数：一种代数运算，其中变量和函数的值只是0和1。
- 逻辑框图：电路的图形化表示。每种类型的门由一个特定的图形符号表示。通过用不同方法把这些门连接在一起，就可以真实地表示出整个电路逻辑。
真值表列出了一种门可能遇到的所有输入组合和相应的输出，从而定义这种门的功能。
计算机的门有时叫做逻辑门，因为每个门都执行一种逻辑函数。所以每个输入和输出值只能是0（对应低电平信号）或1（对应高电平信号）。
我们将分析下列6种类型的门。
- 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
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。非门有时又叫变逆器，因为它对输入值求逆。
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。
4.2.2与门
和非门不同的是，与门接受的信号不是1个，是2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，输出是0。
在布尔代数中，与操作由点（·）表示，有时也表示为星号（*）。也可省略。
在布尔表达式中，用于运算符可能出现四种情况：
0·0=0
0·1=0
1·0=0
1·1=1
4.2.3或门
或门也有两个输入。如果这两个输入值都是0，那么输出都是0；否则，输出都是1.
在布尔代数中，或操作由加号+表示。或门有两个输入，每个输入有两种可能的值，所以，和与门一样，或门也有四种输入组合，为：
0·0=0
0·1=1
1·0=1
1·1=0
4.2.4异或门
如果异或门的两个输入相同，则输出为0；否则，输出为1.注意异或门与或门之间的区别，只有一种输入情况使它们的结果不同。当两个输入信号都是1时，或门生成1，而异或门生成0。
正规的或门又叫作同或门，因为无论一个输入信号是1，还是两个输入信号是1，它都生成1.而当两个输入信号不同时，异或门才生成1.布尔代数符号⊕有时用来表示异或运算，但是也可以用其他运算符表示它。
**注意，异或门的逻辑框图符号和或门的相似，只是多了一条贯穿两个输入信号的连接线曲线。
4.2.5与非门和或非门
它们都接受两个输入值。与非门和或非门分别是与门和或门的对立门。
与非门的布尔表达式是对与运算求逆。同样，或非门的布尔表达式是对或运算求逆。与非门和或非门的逻辑框图符号和与门及或门的相似，只是多了一个求逆泡。（说明是求逆运算）。
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，或者两个输入值都是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生成的相反。
- 或非门生成的结果和或门生成的相反。
4.2.7具有更多输入的门
门可以被设计为接受三个或更多个输入值。具有三个输入的门有23或8种可能的输入组合。
对于逻辑框图符号，只需要在原始符号上加入第三个输入信号即可。但对于布尔表达式，则需重复一次操作，以表示第三个值。
4.3门的构造
晶体管
门使用晶体管建立输入值和输出值之间的映射。晶体管是用半导体构成的，通常，使用硅来制造晶体管。
- 晶体管：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。
晶体管具有三个接线端，即源极、基机和发射极。发射级通常被连接到地线。在计算机中，源极制造的是高电平，约5伏。基极值控制的门决定了是否把源极接地。如果源极信号接地了，它将降低到0伏。如果基极没有使源极信号接地，源极信号仍然是高电平。
晶体管只能是开（生成高电平输出信号）或关（生成低电平输出信号）两种状态，由基极信号决定。
根据晶体管的工作方式，可以证明，最容易创建的门是非门，与非门和或非门。
（信号Vin表示非门的输入信号。如果它是高电平，那么源极被接地，输出信号Vout是低电平。输入信号被逆转了，这正是非门所作的操作）
与非门需要两个晶体管。或非门的构造也需要两个晶体管。
4.4电路
电路可以分为两个大类。一类是组合电路，输入值明确决定了输出。另一类是时序电路，它的输出是输入值和电路现有状态的函数。
我们能用三种方法描述整个电路的运作，即布尔表达式，逻辑框图和真值表。
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。两个与门的输入被用作或门的输入。如果两条交叉的连接线的交汇处没有连接点，应该看作是一条连接线跨过了另一条，它们互不影响。
- 电路等价：对应每个输入值组合，两个电路都生成完全相同的输出。
这种现象证明了布尔代数的一个重要属性————分配律
A（B+C）=AB+AC
它允许我们利用可证明的数学法则来设计逻辑电路。
在布尔代数中，有一个非常著名也非常有用的定律————德·摩根定律。这个定律声明，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是，对两个变量的或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于操作。用电路属于来说，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）=AB
4.4.2加法器
在数字逻辑层，加法是用二进制执行的。这些加法运算是用专用电路加法器执行的。对两个二进制数求和的结果可能生成进位制。计算两个数位的和并生成正确进位的电路叫作半加器。和对应的是异或门，进位对应的是与门。
因为这个电路生成两个输出值，所以我们用两个布尔表达式表示它：
和=A⊕B
进位=AB
注意，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。考虑进位输入值的电路叫作全加器。
要把两个八位值相加，需要复制8次全加器电路。一个位值的进位输出将用作下一个位值的进位输入。最右边的位的进位输入是0，最左边的位的进位输出将被舍弃（通常会生成溢出错误）。
4.4.3多路复用器
- 多用复用器是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。
多路复用器根据称为选择信号或选择控制线的输入信号选择用哪个输入信号作为输出信号。
多路分配器是执行相反操作的电路。也就是说，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，电路的下一个状态部分是由当前状态决定的。
一个S-R锁存器存储一个二进制数字（1和0）。不同的门可以设计S-R锁存器。
这个电路的设计使两个输出X和Y总是互补的。当X是0，Y是1，反之亦然。X在任意时间点的值都被看作电路的当前状态。
（当两个输入值都是1时，与非门才会输出0.这个电路中的每个门都有一个外部输入S或R，和一个来自其他门的输出的输入。假设电路的当前状态存储的是0（X是0），R和S还是1，那么Y还是1，X仍为1.再假设电路的当前状态存储的是0（X是0），R和S还是1，那么Y仍为1，X仍为0.因此，无论当前存储的值是什么，如果S和R都是1，电路就保持为当前状态。
这个解释说明，只要S和R都是1，S-R锁存器就保留它的值。暂时把S设置为0，保持R为1，可以把S-R锁存器设置为1.如果S是0，X将变为1.只要S立刻恢复为1，S-R锁存器将保持1的状态。暂时把R设置为0，保持S为1，可以把S-R锁存器设置为0。）
4.6集成电路
- 集成电路又称芯片，是嵌入了多个门的硅片。
一个SSI芯片只有几个独立的门，这个芯片由14个引脚，其中8个用作门的输入，4个用作门的输出，1个接地，1个接电源。用不同的门可以制成类似的芯片。
4.7CPU芯片
计算机中最重要的集成电路莫过于中央处理器(CPU)。CPU只是一种具有输入线和输出线的高级电路。关于CPU的处理和它与其他设备之间的交互属于计算机处理的另一个分层，有时这个分层被称为构件体系结构。
第五章 计算部件
5.1独立的计算机部件
CoreTM2(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告诉我们处理器有多快的处理速度。GHz中的G是giga的简写，它表示十亿的公制前缀。Hz代表赫兹，是衡量每秒频率的单位，会有一个称为时钟的部件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。处理器和外界的主要连接线称为前端总线（FBS）。
一个字节是存储的一个单元，一兆字节是220（比100万多一点）字节。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。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使用前端总线。
15.6''指的是显示区域对角线的长度。Hign 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，这也是高清电视的标准。数字1366×768指的屏幕的像素分辨率，说明这一屏幕水平方向有1366个像素，垂直方向有768个像素。
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加强大。游戏和其他图形软件向GPU发送指令，这些指令使GPU很快的操纵屏幕上的图像，这样就能减轻中央处理器在这一工作中承受的负载。GPU在它自己的内存中记录屏幕图像的数据，它的内存容量越大，越能更好地完成复杂图像处理、支持外部显示设备等工作。
计算机的随机访问存储器（RAM），也被称为主存储器。Dual 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。
这个电脑包含了一个硬盘驱动器，它是计算机二级存储器（也称为辅助存储器）的通俗名称。磁盘使用一个称为SATA的接口，它代表了串行ATA。串行意味着数据是以单独的比特流的形式写入电脑或从电脑读出。如今，硬盘正逐渐被电子辅助存储器取代，这种存储器叫作固态硬盘（SSD）。由于没有运动部件，固态硬盘比普通硬盘具有更快的速度和更低的电能消耗。
802.11是由专业的工程协会————电气和电子工程师协会（IEEE）定义的一个标准的代号。这一标准目前有三种被接受的版本，分别是a、g和n。最初的版本是802.11a。802.11g版本支持更长距离的通信，但是速度却稍慢。802.11n版本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，它适合于更近的距离，信号也要相对弱一些。蓝牙的典型用途是连接无线键盘、鼠标、耳机或者与手机互相传输数据。
5.2存储程序的概念
- 冯·诺伊曼体系结构：实现了数据和操作数据的指令的逻辑一致性，而且它们能存储在一起，这是计算历史上的一个主要定义点。
5.2.1冯·诺伊曼体系结构
冯·诺伊曼体系结构的另一个主要特征是处理信息的部件独立于存储信息的部件。这一特征导致下列5个冯·诺伊曼体系结构的部件。
- 存放数据和指令的内存单元
- 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
内存
- 内存：存储单元的集合，每个存储单元有一个唯一的物理地址。
（这里通称单元，而不是用字节和字，因为不同的机器中每个可编址性）不同。目前大多数计算机都是字节可编址的。）
- 可编址性：内存中每个可编址位置的存储位数。
算术逻辑单元
- 算术逻辑单元（ALU）：执行算术运算（加法、减法、乘法和除法）和逻辑运算（两个值的比较）计算机部件。
ALU操作的是字，即特定计算机设计相关联的数据的自然单位。大多数现代ALU都有少量的特殊存储单元，称为寄存器。寄存器能容纳一个字，用于存放立刻会被再次用到的信息。例如，在计算表达式：
One*(Two+Three)
时，Two首先被加上Three上，然后将生成的结果乘以One。结果放在寄存器中，用寄存器的内容乘以One。访问寄存器比访问内存快得多。
输入/输出单元
- 输入单元：接收要存储在内存中的数据的设备。
- 输出单元：一种设备，用于把存储在内存中的数据打印或显现出来，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：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（IR）：存放当前正在执行指令的寄存器。
- 程序计数器（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）：算术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：可以在总线上并行传输的位数。
- 缓存：一种用于存储常用数据的小型高速存储器。
- 流水线：一种将指令分解为可以重叠执行的小步骤的技术。
- 主板：个人计算机的主电路板。
5.2.2读取-执行周期
处理周期的四个步骤：
- 读取下一条指令
- 译解指令
- 如果需要，获取数据
- 执行指令
读取下一条指令
程序计数器（PC）存放的是下一条要执行的指令地址，因此控制单元将访问程序计数器中的指定的内存地址，复制其中的内容，把副本放入指令寄存器中。在进入周期中的下一步之前，必须更新程序计数器，使它存放当前指令完成时要执行的下一条指令的地址。控制单元把程序计数器加1，在一条指令必须从内存读取额外指令才能执行的情况下，算术逻辑单元将一个地址送往内存总线，内存会进行响应并将特定的值返回。
译解指令
在这一阶段，指令将被破译成控制信号。CPU中的电路逻辑决定执行操作。这一步解释了为什么一台计算机只能执行它自己的语言表示的指令。
5.2.3RAM和ROM
RAM是随机存取存储器的缩写，这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。访问每个存储单元的本质是改写这个存储单元的内容。
ROM是只读存储器，内容不能更改，是永久的，存储操作不能改变它们。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。
RAM具有易失性，而ROM则没有。关闭电源后，RAM不再保存它的位配置，但是ROM仍然保留这些配置。ROM中的位组合是永久性的。主存通常包含一些ROM和通用的RAM。
5.2.4二级存储设备
当不再处理程序和数据或关机时，把程序和数据保存起来。这些类型的存储设备（除了主存）称为二级存储设备或辅助存储设备。每个二级存储设备也是一种输入和输出设备。
磁带
的一种真正的大容量辅助存储设备是磁带驱动器。通常用于备份（生成副本）磁盘上的数据，以防磁带损毁。磁带驱动器有一个严重的缺点，即如果要访问磁带中间的数据，则必须访问之前的所有数据并舍弃它们。
磁盘
磁盘驱动器是CD播放器和磁带录音器的混合物。尽管磁盘种类不一，但是它们使用都是由磁质材料制成的薄磁盘。每个磁盘表面都被逻辑划分为磁道和扇区。磁道是磁盘表面的同心圆。每个磁道被分为几个扇区。每个扇区存放一个信息块，这些信息块是连续的位序列。
四种衡量驱动器效率的方法：寻道时间、等待时间、存放时间和传送速率。
- 寻道时间：读写头定位到指定的磁盘所花费的时间。
- 等待时间：把指定的扇区定位到读写头之下所花费的时间。
- 存放时间：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：数据从磁盘传输到内存的速率。
计算机安装的硬盘有几个磁盘构成，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。上下排列所有磁道形成了一个柱面。
CD和DVD
CD驱动器使用激光读取存储在塑料盘片上的信息。CD上面没有同心轨道，而有一个从里向外盘旋的螺旋轨道。这个磁道被划分为多个扇区。CD中的数据是均匀分布在整个光盘上的。
CD-DA是数字音频光盘，说明了录音采用的格式。
CD-ROM与CD-DA一样，只是格式不同。CD-R代表了可记录光盘，它允许写入数据。CD-R的内容在数据记录一次之后就不能再进行改变。CD-RW代表可重写的光盘，意味这种CD能够多次写入数据。
目前最常见的一种拷贝电影的形式是DVD，它代表了数字化多功能光盘。由于它具有大容量存储能力，因此DVD光盘非常适合记录音频和视频结合的多媒体文件。
CD-ROM和DVD-ROM的速度单位是X。它表示标准的音频CD和DVD播放器的速度。
闪存
闪存或称为U盘，是一种可写入可擦除的非易失性计算机存储器。驱动器集成再一个USB（通用串行总线）。
闪存也被用于制作固态硬盘（SSD），固态硬盘能够直接取代普通硬盘。由于固态硬盘是全电子的没有运动部件，它比普通硬盘速度更高、功耗更低。
5.2.5触摸屏
电阻式触摸屏由两个分层构成，都由导电材料制成，一层是水平线，一层是竖直线，两个分层之间有非常小的空隙。
电阻式触摸屏在玻璃屏幕之上附加一个层压板。
5.3嵌入式系统
事实上，嵌入式系统这一术语是很模糊的，因为它包含除了台式PC之外的几乎一切东西。
5.4并行体系结构
5.4.1并行计算
并行计算有四种一般的形式：比特级、指令级、数据级和任务级。
比特级的并行是基于增加计算机的字长。
指令级的并行是基于程序中的某些指令能够同时独立地进行。
数据级并行基于同一组指令集能同时对不同的数据集执行。
任务级的并行是基于不同的处理器在相同或不同的数据集上执行不同的操作。
不同的处理器通过共享内存进行通信，这种配置也称为共享内存并行处理器。
5.4.2并行硬件分类
多核处理器有多个独立的核心，它们通常是中央处理（CPU）。