第四章 门与电路
4.1 计算机与电学
门是对电信号执行基本运算的设备. 一个门接收一个或者多个输入信号, 生成一个输出信号. 门有六种基本类型. 每种类型的门执行一个特定的逻辑函数.
电路是由门组成的, 可以执行更复杂的任务. 例如电路可以用来进行算术运算和存储值. 电路中的电流是由经过精心设计的相互关联的门逻辑控制的.
描述门和电路的方法有三种:
布尔表达式, 逻辑框图, 真值表
英国数学家布尔发明了一种代数运算, 其中变量和函数的值只能是 0 或 1. 这种代数称为布尔代数. 它是表示电路的极好方式.
逻辑框图是电路的图形化表示. 把每种类型的门由一个特定的图形符号表示. 通过不同方法把这些门连接在一起, 就可以表示出电路逻辑.
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. 从而定义了这种门的功能.
在后面对于门的介绍当中, 将会使用这三种描述法对电路进行描述.
4.2 门
门有 6 种类型:
非 (NOT) 门
与 (AND) 门
或 (OR) 门
异或 (XOR) 门
与非 (NAND) 门
或非 (NOR) 门
下面将展示这六种门
4.2.1 非门
非门接收一个输入值, 并生成一个与之相反的输出值.
用布尔表达式表示它为 X=A'
真值表为
A | X |
---|---|
1 | 0 |
0 | 1 |
非门有时候又叫做逆变器, 因为他对输入值求逆.
4.2.2 与门
与门接收的信号是两个, 输出的信号由这两个输入值决定. 如果两个输入信号都是 1, 那么输出是 1; 否则输出 0.
布尔表达式: X=A*B
真值表为
A | B | X |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 |
4.2.3 或门
与与门一样, 或门也有两个输入值. 不同的是如果这两个输入值都是 0, 那么才会输出 0; 否则输出 1.
布尔表达式: X=A+B
真值表为
A | B | X |
---|---|---|
1 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 |
0 | 0 | 0 |
4.2.4 异或门
异或门的两个输出量相同, 则输出 0, 否则输出 1.
布尔表达式: X=A⊕B
真值表为
A | B | X |
---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
4.2.5 与非门和或非门
与非门与或非门都接收两个输入值. 与非门和或非门分别是与门和或门的对立门. 即让与门的输出值经过一个非门, 得到的输出与与非门的输出一样.
与非门的布尔表达式 X=(A*B)'
真值表
A | B | X |
---|---|---|
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 1 |
1 | 0 | 1 |
1 | 1 | 0 |
或非门的布尔表达式 X=(A+B)'
真值表
A | B | X |
---|---|---|
0 | 0 | 1 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 0 |
4.2.6 门处理回顾
下面对上述门进行总结
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.
如果输入值至少有一个 1, 那么或门将生成 1.
如果只有一个输入值是 1, 而不是两个, 异或门将生产 1.
与非门生成的结果和与门的相反.
或非门生成的结果与或门相反.
4.2.7 具有更多输入的门
门可以被设计成接受更多输入值. 例如具有三个输入值的与门, 布尔表达式为 X=A * B*C4
4.3 门的构造
门往往由晶体管组成. 晶体管是由半导体材料制成的, 半导体材料既不是像铜那样的良导体, 也不是像橡胶那样的绝缘体. 通常用硅来制造晶体管.
4.4 电路
电路可以分为以下两类
组合电路: 输出仅由输入值决定的电路
时序电路: 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, 就可以把门组合成组合电路.
有时候对于两个组合电路, 对于同样的输入值, 输出值也是相同的, 这称作电路等价.
4.4.2 加法器
在数字逻辑层, 加法是由二进制执行的. 这些加法计算是由专门电路加法器执行的.
二进制求和的结果可能生成进位值. 计算两个数位求和并生成正确进位的电路叫做半加器.
这图即是半加器的的框图.
而靠半加器显然无法完成计算任务, 要完成计算, 需要一种考虑进位输入值的的电路, 全加器. 框图如下
4.4.3 多路复用器
* 多路复用器: 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
存储器电路有很多种, 但书中只分析了一种 --S-R 存储器.
4.6 集成电路
集成电路 (又称芯片) 是嵌入了多个门的硅片.
4.7 CPU 芯片
中央处理器 (CPU) 是计算机中最重要的集成电路.
CPU 只是一种具有输入线和输出线的高级线路.
小结
通过本章的学习, 我了解到了各种类型的门, 门是由一个或多个晶体管创建的.
门的集合常常被嵌入在一个集成电路里, 这也就引出了中央处理器的概念.
第五章
5.1 独立的计算机部件
本节通过一则广告, 引出了很多关于计算机部件知识. 包括中央处理器, 显示器, 图形处理器(GPU), 随机访问存储器(RAM), 硬盘驱动器, DVD 驱动器, 内置数字照相机, 外部接口.
5.2 存储程序的概念
冯. 诺依曼体系结构, 这实现了数据的指令的逻辑的一致性, 而且还能存储在一起, 这种原理仍然是现在计算机的基础.
5.2.1 冯. 诺依曼体系结构
此体系的主要特征是处理信息的部件独立于存储信息的部件. 这个特征导致下列 5 个部件
存放数据的指令的内存单元
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中的输入单元
把结果从计算及内部转移到外部世界的输出单元
担当舞台监督, 确保其他部件参与了表演的控制单元
1, 内存
内存是存储单元的集合, 每个存储单元有一个唯一的物理地址.
不同的机器中每个可编址的的位置的位数 (可编址性) 不同.
可编址性: 内存中每个可编址位置存储的位数
2. 算术 / 逻辑单元
算术 / 逻辑单元: 执行算术运算和逻辑运算的计算机部件
寄存器: CPU 中的一块存储区域, 用于存储中间值或特殊数据
3. 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示出来, 或者把存储在内存中或其他设备中的信息制成一个永久副本.
4. 控制单元
控制单元: 控制其他部件的动作
指令寄存器: 存放当前正在执行的指令的寄存器
程序计数器: 存放下一条要执行的指令的地址的寄存器
中央处理器: 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
处理周期中的四个步骤如下:
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
ROM: 只读存储器
5.2.4 二级存储设备
1. 磁带
早期的存储设备
2. 磁盘
3.CD 和 DVD
4. 闪存
5.2.5 触摸屏
一种特殊的输入输出设备
5.3 嵌入式系统
嵌入式系统是大型系统的一部分, 是为完成小范围功能而专门设计的计算机.
5.4 并行体系结构
5.4.1 并行计算
并行计算有四种形式: 位级, 指令级, 数据级, 和任务级
同步处理: 多处理器将同一个程序应用于多个数据库
共享内存并行处理器: 多个处理共享整体内存的情况
小结
通过本章的学习, 了解到冯. 诺依曼体系结构是当今大部分计算机的底层体系结构, 在控制单元指挥下的读取 - 执行周期是这个处理过程的核心.
RAM 和 ROM 是两种计算机内存的缩写. 存在在 RAM 的值是可更改的, ROM 中的值是不可更改的.
二级存储设备可以在计算机不运行时保持数据.
QA: 在学习第四章全加器原理的时候, 花费了一定的时间才弄懂其原理.
在学习第五章存储程序的时候, 我感觉其中的语言有些晦涩难懂, 在查阅网上资料之后, 才能渐渐读懂.
来源: http://www.bubuko.com/infodetail-3683694.html