信息安全方向，设计软件CPU

eeq619

信息安全方向，设计软件CPU [复制链接]

    用软件模拟 自动机 用于加密解密中，本次的想法是用于认证。
    同时，能够和硬件实现加密算法的，就互相参考。

    第一节 虚拟机问题
    第二节 输入输出
    第三节 指令系统的操作数和操作符的问题。

lixue51

    比如，对一个1024字节的数 IN0 作输入，也就是作为一个明文（对应的是密文）。

    要设计的系统，如果最多的话，需要1024种操作符。而且需要全部对其完成“取指，分析，译码，执行”等几步骤。

    要实现的指令系统，需要1024种译码电路。

    (1)算法指令。包括：关系，逻辑，算术运算操作。
   （2）控制指令。转移，跳转。
    （3）处理内存、寄存器、EPROM中的数据。
    （4）特殊寄存器处理。

    需要用软件实现。



     

ouhf

    同时，对设计加密解密芯片有支持作用。

dx2004025

    有两个方向：

     从设计来说，有从上级和下级同时开始设计。象《计算机体系结构》，指令系统就作为 软件 和 硬件的界面。
     确定后，可从虚拟机的两端同时设计。

     

mrmt00

技术讲解？你的软件虚拟cpu有啥特殊的吗？或者说与众不同的

cswer911

楼主要做甚？

flaty

　　想用于认证。

　　就是客户端可以通过软件ＣＰＵ将输入数据Ｄ１变换成Ｄ１——１，而服务端也是通过软件ＣＰＵ将输入法数据Ｄ１变换成Ｄ１——１的话，就通过认证。

fanghaoshfs

　　假设输入数据是二进制，共１０位，则需要１０２４种指令。

　　对这些指令都要进行译码。

　　还有ＰＣ指令计数器等内容。

fiercewind

　　译码的结果，是对数据进行处理。这些数据分布在：

　　１、寄存器；
　　２、内存；
　　３、虚存；
　　４、外部磁盘；
　　
　　同时需要处理指令数据，即完成控制类信息。
　
　　一般的汇编语言编成的程序，还必须和外部输入进行处理。

may3450

想弄一个类似java的？

weixichao

面对不同人群，对简单计算器CPU的解释（以前的帖子）

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计算器是怎样工作的？
我们看到的，是 １、输入部分 和 ２、输出部分。

输入部分送信号和数据给计算器的内部计算结构：键盘。

输出部分，我们所看到的结果：显示屏。

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从 数字的显示 开始谈起
先说说看得到的。

我们可能用过CALL机。可以显示：

0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，b,C,d,e,f。

对于学过计算机原理的人说，就是十六进制的16个数。

这16个数，都是由7段“条条”组成。横的：3 条，竖的：左边 2 条。竖的：右边 2条。

怎样显示呢？

每个条纹，是有开关可以通电的。因为是数字电路，所以只有两种电平：正电平，负电平。

正电平时，显示条纹。注意：这个条纹一般是电势差，换句话说，除了给出信号的电平外，

接上这个条纹的，还有一个“地”电平。

         反复送高电平，就不停地显示。称之为刷新。REFRESHING。

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那么算盘是怎么工作的？

算盘又是输入又是输出。它却好象是１０进制的

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FIREFOX 你让我大吃一惊
发现算盘真的又是输入又是输出
又是键盘又是显示屏耶
图形界面，而且立体
不耗电很环保，音响效果也很好
-----那你说说这是什么原理呀
曾经有把名贵的算盘摆在我面前而没有珍惜
现在非常怀念。那是百张翻打第一的奖品
当然获奖者不是我，她把奖品送给我
她说：太沉了不好使，我说：这是铸铜柜架的耶
市面上买不到的``````，最后它不知所终

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开玩笑打的。你的回帖也让我吃惊。实际上我不知道算盘的工作原理揭示了什么。好些国内一批心算高手就是从珠算练习起步的。中间阶段是一个没有任何珠子的算盘，算珠的拨动完全靠想像。到高级阶段这个算盘筐子也不需要了，一个虚拟的算盘完全在脑海中自动运算。许多高手的运算速度完全超过了计算器处理的速度。这样的例子，生活中太多了。象棋，围棋中的盲棋；一切的学习模仿都是这样吧

对此不太好比喻。这里到底发生了什么。强为之比喻，只能用大脑＝生物计算机　来形容。

不知道大脑处理外界信号的模式到底是什么样的。有人说，大脑在一系列类似的外界信号刺激后，会形成固定神经元兴奋通路和处理模式〔ＮＬＰ？〕。这样，背负着太多的过去，思维模式不去寻找最简单高效的道理而去走复杂迂回的通路。

也许，自己想办法丢掉没用的东西，ＲＥＳＥＴ　ａｎｄ　ＦＯＲＭＡＴ，把自己当作一个一无所知的婴儿，静下来，对身体、心灵活动做最彻底透彻地观察，领悟；重新学习和认知世界，倒是一条好办法。

[ 本帖最后由 firefox 于 08-5-4 02:30 编辑 ]

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你解释得很好，人脑的复杂和奇妙是无与伦比的，人有直觉想象和灵感，人能创造和制造
我只是佩服你由复杂的计算机简化为算盘的反应

我是学财经，有过珠算考级的的经历，其实我对算盘的机械计算原理还是知道一些，只是怀念那个时候，一方面在学计算机，同时又在练算盘``````

我也想过把自己的人生RESET OR FORMAT 一下，可是难啊，运行中的人生，那怕是痛苦的，我也不舍得中止，它也是我生命中的一部分，血肉相关`````

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为什么显示屏要刷新？怎样刷新？
一个数字位有七段。前面讲过，横的有三段，竖的，左边有二段，右边有二段。

为什么要刷新？

这是由显示七段的特征决定的。如果没有电势差加在七段的某一段，这一段就不会显示。
所以，要不停地送电势差。可以理解，送一次电信号（电势差），就会显示一位，然后，能量会以光能的形式耗尽。因为显示屏显示数字位时，是要消耗能量的。

怎样刷新？

１、人眼是视觉方面的错觉的。只要刷新的间隔在一个时间间隔内，比如说，是０?１秒，就会错觉该位的七段是在连续显示。
２、所以ＣＰＵ和软件是这样处理的：软件是在不停地循环运行，每隔０?１秒，就送一次电信号。
３、送电信号的处理方式：
给个程序代码吧：
for (;;)
                /*for 指令表示将反复循环运行花括号内的三个程序段，三个程序段从送到尾运行完，就再重复一次。这样，反复循环*/
            {
                   /*主要检测程序段*/  
                   /*等待键盘输入，并作相应处理，以及显示结果的程序段*/
                   port_1?3=0x 01;   /*第1个端口的第3位送高电平*/
            }
       4、所以，计算器中的程序，只要一按ON键，就反复运行 for 语句下的循环。
       5、具体的 for 循环，可能还要复杂一点。





显示屏的刷新，在CPU中央处理单元和软件中，是如何处理的呢？

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ＣＰＵ和软件怎么知道你按了哪个键？
每个键，在弹起，而没有按下时，都不会有信号传给ＣＰＵ和软件。

键的按下与否，是有一个开关来进行判断的。

“计算器”有许多键，所以有许多小的开关。是开关和连接到ＣＰＵ的线路的开关阵列。

给个程序代码吧：
for (;;)
                /*for 指令表示将反复循环运行花括号内的三个程序段，三个程序段从送到尾运行完，就再重复一次。这样，反复循环*/
            {
                   /*主要检测程序段*/  
                   /*等待键盘输入，并作相应处理，以及显示结果的程序段*/
                   port_1?3=0x 01;   /*第1个端口的第3位送高电平*/
            }

其中“等待键盘输入”，就是如下的程序段：

if port_2?3== 0x 01 bian_liang_de_di_3_bit=0x 3;
            /*如果（IF) 专门用于检测键盘是否按下3，的端口PORT 2的第3位 ，的开关，是高电平（0X01)，
那么，显示屏的所对应的显示变量赋值3*/

            上面这句话怎样理解呢？

       1、计算器是根据对应的变量来确定显示什么的。显示屏每位都对应一个变量。
       2、如果显示屏某位对应的变量是3，或者6，那么，再驱动显示3，或者6。
       3、显示的数字位，和实际在内存中计算的位，是不同的。
       4、比如，两个三位十进制数123+456相加。
       5、123，和456，在内存中是有存储的。
       6、显示屏上的三位十进制数123，是只管显示。CPU和软件计算时，是只看内存的。CPU和软件是只对内存中的数进行计算。
       7、内存对应三位是123，那么，就会显示在显示屏上。是一个对应的关系的。

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计算器的体系结构、物理组织是怎样的呢？
计算器的体系结构、物理组织是怎样的呢？

计算器，除了有输入部分、输出部分，还有CPU（CENTRAL PROCESS UNIT中央处理单元），内存单元，程序的存储硬件单元。

以及把它们连接起来的电路，这些外围电路，统称为外围电路。

开机时的动作：
第一步，自检。有一个专门自检的电路。检测内存：能否正确地读出刚写入的内容。还有外围电路有没有故障。
第二步，程序进入主循环。
第三步，反复刷新显示“0”。

程序存储在哪里？

它是已经编好的。不象PC机和台式机和笔记本计算机的程序，可以修改。计算器的程序是不能修改的。
它一般存储在一个只能读的存储组织中，通常称为EPROM(ELECTRONIC PROGRAMMABLE READ ONLY MEMORY)。

有的计算器，是将程序和CPU放在整个CPU单元中的。总之，计算器中的程序
不能修改。

[ 本帖最后由 thail08 于 08-5-4 06:19 编辑 ]

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算盘和古代先人的结草计数差不多吧。

也和鲁滨逊在荒岛上的划道道计算日子差不多。

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thail08 是华为公司的精英吧
这是我看到的关于计算器（机）工作原理的通俗说明，我看懂了。我外甥九岁，能用两种代码写计算的程序，到现在都不用自己写了，相关计算模块都是现成的。可他问过我和老师，计算机是怎么工作的（指硬件原理）？我们都答不出来。我只能告诉他，PS2游戏机的工作原理``````

算盘决不是结草计数或囚徒划道道计算日子。由此可见，你对算盘没有使用过。算盘是机械计算的肇始，是人类最了不起的发明之一，它的原理是人脑和它并用，使用者必须明白计算和它的原理才能使用。之后文艺复兴时期西方人在此之上制作了更复杂的机械计算机，你见过现代的手摇式计算机吗？
电子计算机是在相关技术成熟后，瓜熟蒂落的。说实在的它本身并不怎样出众，倒是对它的运用人们发挥了无比的创意和热情。
-----国外某著名电脑展馆，向人们详尽展示了电脑的发展和形式，展示电脑的强大和精致。但是，展馆的最后高潮部分是，一个玻璃柜中的一把中国算盘，上面说：紧急情况下，电脑失灵时，请砸碎玻璃，用它帮你解决问题

最后，和你讨论一下关于电脑和算盘对使用者的影响和意义。毫无疑问，电脑无所不能，特别是对付日常的简单计算，但是，使用者在得到高效方便的同时，自的某种能力会丧失，人的情况就是这样，不用再废；相反，在处理简单的累加等方面，算盘不必计算器逊色，而且使用者手脑并用，人的能力会保持和精进。就象FOX说的，高手心算能力的奇迹

我们已经是这样了，但是，我想，如果我以后会有孩子，我一定要让他先学会算盘，然后，作为奖励，才让他玩电脑`````

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老泰的帖子,我也看懂个大概,除了算法部分(我的弱项). 但,技术终归是技术而已,如果被这些知识禁锢自己的思想,倒不一定是个好事情.

这里是讨论和解决心灵困扰的论坛.发些大多数人看不懂的专业知识,我个人认为意义不大.我要打些自己专业上的东西,估计别人也不看.但,我们可以挑出思维的圈子,从知识中反思人生和哲学思想. 在西方,哲学就包括科学.

扯个我认为有趣的知识吧:一个特定的生物物种,如何在众多的各有优势的生物群落中取得自己的立足和生存之路(在生物学中,叫做占领特定的生态位)?它们主要采取两种策略: R策略和K策略.

R策略: 这类物种对特定的环境适应能力一般,但它们通过具有很高的繁殖率，扩散能力强，这样,总有一部分它们的后代能到达它们能适应的环境,从而生存下来。细菌，昆虫，野草都是这类生物的典型代表。
K策略:相反，这类物种对环境的适应能力很强,体型大，生命周期长，繁殖率不高，后代需要亲代的照顾直到成熟。包括:狮子，老虎，鲸鱼.其中最典型代表,就是我们人类本身!

这些需要我们反思什么呢? 如何适应社会环境和生存? 采取R策略还是K策略?是到处寻找能适合自己生存的外在环境,还是自己主动调节自己,让外在环境适应自己?

这是运用在社会学上的反思,我们也可以把它,把自己学到的知识,都可以进行扩展,运用到哲学,生存,经济学,生活中,包括解决自己的生活中的难题.

只有如此,学习才有价值和意义.

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华为公司倒是呆过4年整，不过不是精英。呵呵。

生存法则，自然界和人类社会不同。都非常的复杂。都有复杂的规则。

在人类社会，就是愿意学习和运用吧。做个有用的人。

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shangwlscp

你想计算的数，计算器是怎么知道的？怎么用它们进行计算的？
假设你要计算求和：１２３＋４５６。

心算当然很快。但如果是５位以上的求和，以及有进位的求和，以及２位以上的相乘和相除，心算和笔算，都要经过专门和比较长时期的训练。

如果是小孩，更是要数年的时间来学习和温习。

回过头来说。

计算器怎么知道你想算什么？

先说计算是怎样进行的。这是关键。也就是计算机为什么叫计算机。

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计算机是怎样进行加法运算的？

有几个名词先要解释一下：
１、内存，ＡＬＵ，
２、指令，操作数，操作符，
３、程序计数器ＰＣ（Ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｕｎｔｅｒ），
４、取指令，译码，执行，
５、ＣＰＵ引脚（英文称为：ＰＩＮ），连接内存和ＣＰＵ引脚（ＰＩＮ）的电路。
６、ＣＰＵ内部结构。

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1、内存：
　　是计算机中存储器的一种。
　　所谓存储器，就是你写入一个数之后，可以反复再读出来。
　　可以反复进行这样的写入操作。

　　内存和外存不一样。
　　外存，一般有：硬盘，移动硬盘，U盘等。
　　内存直接插在主板的槽里，共用主板和CPU的“三总线”。即：控制总线，地址总线，数据总线。

　　内存的读写速度，一般比外存快一个数量级。即总体来说，要快10倍。当然，具体情况有所差异，有所不同，不能一概而论。

　　内存所使用的材料，也和硬盘等外存的材料不一样。

　　内存小容量，外存大容量。这和材料、成本、速度是相关的。

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插上电工作的。。。。。。

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6、CPU的内部结构和工作原理

　　CPU一般包括：
　　（1）运算逻辑单元ALU(Algorithm logic unit）。进行二进制的运算。最主要的操作就是二进制下某种码制下的加法操作。涉及多位加，多位减，多位乘，多位除。
　　（2）取指、译码、执行部件：控制总线，从相关总线上取指令、取数据。
　　指令则需翻译，否则ALU不认识。
　　然后执行。
　　其运算结果又从总线上发送出去。
　　（3）CACHE：一种高速的存储部件。把内存和外存中计算要用到的数，存储在此。
　　这是通过一些由硬件实现的算法实现的。象LRU (Least Recent Used)---最近最少使用的，就“交换”到内存或外存中去。
　　因为计算机的数据处理有　20/80　特性：即20%的数据是在80%的场合要用到的，要用于计算的。
　　　
***这6部分的部件，都是集成在CPU中的，所以，一般判断芯片的复杂度，就用几千个门电路，几万个门电路，几十万个门电路，以及上千万个门电路来表示。
　　（4）总线接口（PIN）--和引脚相连，总线的驱动部件（和接口引脚相连的外围芯片和外围电路，需要电的功率）。
　　（5）程序计算器PC（Program Counter）：指示程序下面要运行什么指令。
　　（6）内部总线：传送数据。包括指令型数据，和数据型数据。虽然是内部的，但它通过一些相当于开关的电路，和外部电路相连。可以控制和驱动外围电路。

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所谓PIN，引脚，就是“管脚”，芯片的脚。类似镀金的东西。

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　　所谓芯片有XXX百万个“门”，是指有等价的XXX百万个“门电路”。

　　《计算机原理》中的“门电路”，主要有“与门　AND GATE”，或门　OR GATE，非门　NOT GATE。

　　这些，是基本的“门”。

　　比如说，
　　非门，具体的物理结构，是通过设计一个晶体管（三极管）和相关的电阻、引脚，来实现的。

　　与门和或门，一般是由一个二极管和相应的电阻和引脚组成。

　　在芯片的内部，每个门非常“小”，现在密度已经到了“微米”级。1微米=1000纳米。

　　每个门的长和宽，大概也就是几个微米。

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　　学过《数字电路》教材的人知道，由这几种简单的数字门电路，结合布尔逻辑BOOLEAN　LOGIC，可以最终设计出多位加法器，多位乘除法器，存储单元，运算结构，
　　乃至最终形成整块CPU。

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1米=1000毫米
1毫米=1000微米

而且CPU可能是分成多层。

是通过平面印刷、遮掩、腐蚀等类似的方式生成的。

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应该是到45nm了
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1微米=1000纳米，NM

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你想计算的数，计算器是怎么知道的？怎么用它们进行计算的？
　　也就是怎么输入数据到计算机中的问题。

　　for ( ; ; )　/*进入主循环*/
       {
　　　　第一步，反复检测键盘是否有键被按下。
　　　　第二步，相应的变量赋值。先按下3，则变量xian_si_v=3。再按下4，则变量xian_si_v=34。
　　　　第三步，计算器启动显示机制，将34显示在屏幕上。
       }
　　　　键盘的信息是怎样组织的？

　　第一，不需要每个键都连一根线路到CPU。
　　第二，可采用译码器机制。
　　第三，假设键的数量，在32以内。则CPU只要端口的5根线，也就是5个管脚就可以了。

　　具体是这样实现的：
　　考虑10进制数。假设有2位的10进制数，则可以表示100个数。即0~99。

　　再考虑2进制数。
　　假设有1位的2进制数，则0，1可表示两个数。
　　假设有2位的2进制数，则00，01，10，11可表示四个数。这里，为什么2位只有这四个数呢？
　　因为，00加上1个，自然等于01，不用怀疑。如果再加上1个呢，怎么表示？也就是01+1=？

　　01+1=？

　　回头考虑10进制数的一位。它可取值的范围是：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9}。
　　2+3=5，3+5=8，8+5时就有问题了，需要进位。

　　个位是3，10位就是1了。

　　再举一个例子。
　　33+99=百位数是多少？十位数是多少？个位数是多少？
　　显示分别是1---3---2。即个位数是2，十位数是3，百位数是1。

　　同样，二进制数的取值范围只有{0，1}。也就是大家看到的所谓二进制数，都是由0和1组成。

　　0+0时不进位，0+1和1+0时不进位，1+1时，低位=0，进位为1。

　　再回过头来看，为什么说32个键的线路，只需要5个CPU的管脚就可以了呢？

　　这是因为2^5=32，这里的 ^ ，即PC机键盘上的数字键6上面的符合，英文状态下同时按下SHIFT键和数字键6，就可以显示出来。它在计算机中，是用来表示指数运算的，正象*表示乘法运算一样。

　　

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也就十进制数，两位可以表示100个数，从0到99。

同样，二进制数，一位可表示2个数，两位可表示4个数，三位可表示8个数，四位可表示16个数，五位可表示32个数。

10的0次方=1。10的1次方=10。10的2次方=100。

2的0次方=1。2的1次方=2。2的2次方=4。2的3次方=8。2的4次方=16。2的5次方=32。

那么，为什么说5根CPU的管脚线，可以控制最多32个键呢？

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5位编码器




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编码
00000，5个0表示，第一个键的线。
当CPU的5个管脚（指专用于控制键盘的5个管脚）
的电平分别是“低低低低高”时，就表示选中第一个键，可以由信号电路输出电平给它了（第一个键）。

反过来，当CPU的5个管脚，采集到“低低低低高”时，就表示第一个键按下了一次。

00001，表示第二个键的线。CPU的5个管脚检测到第二个键被按下了一次。
00010，表示第三个键的线。CPU的5个管脚检测到第三个键被按下了一次。

……
……
……
11110，表示第31个键的线。CPU的5个管脚检测到第31个键被按下了一次。
11111，表示第32个键的线。CPU的5个管脚检测到第32个键被按下了一次。

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一位二进制数是{0，1}。
两位二进制数是{00，01，10，11}。
三位二进制数是{000，001，010，011。100，101，110，111}。
四位二进制数是{
0000，0001，0010，0011。
0100，0101，0110，0111。
1000，1001，1010，1011。
1100，1101，1110，1111。}总共可用编码来表示16个数。
五位二进制数是{
00000，00001，00010，00011。
00100，00101，00110，00111。
01000，01001，01010，01011。
01100，01101，01110，01111。
---
10000，10001，10010，10011。
10100，10101，10110，10111。
11000，11001，11010，11011。
11100，11101，11110，11111。
}
=============================================================================

32个数表示32个键。

每个二进制数可表示一个编码，并不表示数，只是用这个数来表示一条线路。

上图中“CPU控制键盘的管脚1”，表示连接到相应的CPU管脚的线路。
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上图中的方框表示“32到5的编码器”。

其表现形式是功能和原理图，具体的印刷图要复杂些。

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如果电参数等匹配的话，简单的计算器电路就这样。

但要达到这样的效果，MCU(在嵌入式系统中CPU称为MCU)和外围电路需要特殊设计，需要大规模生产，才能将成本降下来。

而现实中的电路，会有各种干扰和噪声，需要进行功率转换、信号转换、信号匹配、屏蔽干扰、信号过滤、噪声消除的特殊电路。

比如，有的外围器件，功率会非常大，光是一块10来W，几十W的CPU，是不可能驱动的。
它们的电流和电压的有效范围也可能非常大。

这时，硬件设计师因为经常设计和选择器件，就得心应手了。

yichi7758

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