读书笔记：《计算机系统概论》——第三章：数字逻辑

在前两章节的基本思路和概念的铺垫后，本章开始正式进入节奏。

本章节从MOS晶体管这个逻辑单元的最基本的要素开始说起，基于MOS晶体管来实现逻辑门（Logic Gate），然后通过逻辑门互连构成计算机的各种电路，这些电路可以分为两大类：组合逻辑电路和存储逻辑电路，而这两者通过组合和互连，则构成了时序逻辑电路（Sequential Logical Circuit），时序逻辑电路可实现有限状态机，而有限状态机正是冯·诺依曼体系结构中的心脏。

个人理解小结：

1. MOS晶体管的电气特性应该是电子通讯专业的模拟电路课程中描述的，但在本书中并未探究，因为这已经属于计算机层次中最底层还要向下的层。我们只需要知道，通过MOS晶体管的组合，可以实现逻辑门
2. 本章详细介绍了MOS晶体管如何构成最基本的“与”、“或”、“非”门，基本思路是通过输入信号以及MOS管的特性，实现高低电平的输出
3. 通过“与”、“或”、“非”门的组合，可以构成译码器，译码器可以解释一个二进制数，经常被用于解释“操作码”
4. 同样，逻辑门组合可以构成多路复用器，主要用来选择输入信号
5. 逻辑门组合可以构成全加器，每个bit的相加，需要考虑当前相加的两个bit位及来自前一位的进位；通过全加器的组合，可以构成n-bit的加法器
6. 逻辑门组合可以构成可编程逻辑阵列，通过“编程”多个与门（输入）与多个或门（输出），理论上可实现任何所期望的逻辑函数；配合真值表可以更好的理解
7. 逻辑门组合可以构成存储单元，为R-S锁存器、门控D锁存器（对R-S锁存器增加控制信号WE）、寄存器（多个门控D锁存器组合成n-bit寄存器）
8. 关于内存：内存实际上就是由多个存储单元组合而成的。内存是由一定数目的“位置”组成，其中每个位置可以被单独识别并独立存放1个数据。内存有两个概念，分别为：寻址空间（address space）、寻址能力（addressablity）。寻址空间：内存中可独立识别的位置总数，如16MB内存表示该内存有1600万（近似）个可独立识别的内存位置。寻址能力：指每个内存位置中包含的bit数目，如16MB内存包含1600万（近似）个可独立识别的内存位置，每个内存位置存储8-bit的数据。大多数内存都是字节寻址，但许多专用于科学计算的大型计算机采用64-bit寻址。本书中举例了一个地址空间大小为4，寻址能力为3-bit的内存，基本思路是通过2-bit的信号经过译码器寻址，定位到唯一的位置，再通过WE信号控制写或读的操作。
9. 时序逻辑电路：通过组合逻辑电路和存储单元的组合，可以构成时序逻辑电路，时序逻辑电路可以实现有限状态机（Finite State Machine，FSM）。所谓状态，可以理解为系统在特定时刻和特定条件下的快照（snapshot），所谓有限状态机，即表示系统在运行过程中，是在有限个状态之间不断地变换，而状态间的迁移取决于不同的迁移条件。计算机中，状态转移的触发机制是时钟信号。