第三部分 硬件层
第4章 门和电路
讨论了计算机如何通过控制最底层的电流进行运算
4.1 计算机和电学
根据信号的电平区分信号的值：02V的电压是低电平，由二进制数字0表示，25V范围内的电压是高电平，由1表示。
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
计算机中的门又有时叫做逻辑门，因为每个门都进行一个逻辑函数。门的类型和输入值决定了输出值。
6种类型的门：非（NOT）门 与(AND)门 或(OR)门 异非（XOR）门 与非（NAND）门 或非（NOR）门
4.2.6 门处理回顾
一般处理规则：
1.非门将对它的唯一输入值求逆。
2.如果两个输入值都是1，与门将生成1.
3.如果一个输入值是1，或两个输入值都是1，或门将生成1。
4.如果只有一个输入值是1而不是两个，异或门将生成1。
5.与非门生成的结果和与门相反。
6.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。
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。
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。
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。
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。
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。也就是说，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'
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。
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。也就是说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。
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。
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。
4.7 CPU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计算机处理的另一个分层。
第5章 计算部件
5.1 独立的计算机部件
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：
1.存放数据的内存单元
2.对数据执行算术和逻辑运算的算术逻辑单元
3.把数据从外部世界转移到计算机中的输入单元
4.把结果从计算机内部转移到外部世界的输出单元
5.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。
5.2.2 读取——执行周期
处理周期中的四个步骤：
1.读取下一条指令
2.译解指令
3.如果需要，获取数据
4.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。
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。
5.2.4 二级存储设备
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。
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。
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
是为完成小范围功能而专门设计的计算机。
5.4 并行体系系统
5.4.1 并行计算
四种一般形式：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。
现在一个典型的处理器芯片包含2~8个核心，它们工作方式类似对称多处理器。
学习中的收获：大致了解了计算机系统的硬件层，基本原理：如何使用电信号来表示和操作这些二进制值。
问题：对门的构造以及组合电路的认识有些混乱；第5章计算部件概念较多，没有全部记忆好；对软盘等概念理解不了。
解决过程：探讨交流；上网看相关视频。