一. 早期计算
1. 计算机的影响——信息时代
- 出现了自动化农业与医疗设备
- 全球化的通信和教育普及
- 虚拟现实和无人驾驶汽车等新领域
2. 计算的历史
- 公元前 2500 年，算盘出现，为十进制，功能类似一个计数器。
- 公元前 2500 年-公元 1500 年：星盘、计算尺等依靠机械运动的计算设备出现
- 公元 1613 年：computer 的概念出现，当时指的是专门做计算的职业，
- 1694 年：步进计算器出现，是世界上第一台能自动完成加减乘除的计算器。
- 1694-1900 年：计算表兴起，类似于字典，可用于查找各种庞大的计算值。
- 1823 年：差分机的设想出现，可以做函数计算，但计划最后失败。
- 19 世纪中期：分析机的设想出现，设想存在可计算一切的通用计算机。
- 1890 年：打孔卡片制表机。原理：在纸上打孔→孔穿过针→针泡入汞→电路连通→齿轮使计数+1。
二、电子计算机
1. 电子计算机元器件的发展
- 发展历程：继电器 --》 真空管 --》 晶体管
- 继电器通过线圈和控制开关实现翻转，真空管通过一端热电子发射，一端吸引正电荷越过真空管的二极管，后面也出现了三极管等等，实现了机电==》电子的跨越
- 晶体管主要运用半导体实现门电路控制，成本低，计算速度快
2. 电子计算机的发展
- 1945 年 哈佛马克 1：使用继电器，用电磁效应，控制机械开关，缺点为有磨损和延迟。*最早还因为有虫子飞进去导致故障，引申出 bug=故障的意思
- 1943 年 巨人 1 号：使用真空管（三极管），制造出世界上第一个可编程的计算机
- 1946 年 ENIAC：第一个电子通用数值积分计算机
- 1947 年 晶体管出现，使用的是固态的半导体材料，相对真空管更可靠
- 1950s 空军 ANFSQ-7： 真空管到达计算极限
- 1957 年 IBM 608： 第一个消费者可购买的晶体管计算机出现
三、 布尔逻辑
二进制：true & false ==》 1 & 0
三个基本操作： NOT, AND, OR 与或非门，控制电流通过路径
1. NOT 操作
- 作用：将输入布尔值反转。输入的 True 或 False，输出为 False 或 True。
- 晶体管的实现方式：
- 半导体通电 True，则线路接地，无输出电流，为 False
- 半导体不通电 False，则输出电流从右边输出，为 True。
2. AND 门/与门
- 作用：由 2 个输入控制输出，仅当 2 个输入 input1 和 input2 都为 True 时，输出才为 True，2 个输入的其余情况，输出均为 False。
- 用晶体管实现的方式：串联两个晶体管，仅当 2 个晶体管都通电，输出才有电流（True）
3. OR 操作
- 作用：由 2 个输入控制输出，只要其中一个输入为 True，则输出 True。
- 用晶体管实现的方式：使用 2 个晶体管，将它们并联到电路中，只要有一个晶体管通电，则输出有电流（True）
4. 异或
- 作用：2 个输入控制一个输出。当 2 个输入均为 True 时，输出 False，其余情况与 OR 门相同。
- 先用一个 OR 门，将其与 AND 门并联，AND 门与 NOT 门串联，最后让 NOT 与 AND 门并联，获得输出。
5. 逻辑门的符号表示
- 非门：用三角形+圆圈表示
- 与门：用 D 型图案表示
- 或门：用类似 D 向右弯曲的图案表示
- 异或门：用或门+一个圆弧表示
四、二进制
1. 基本概念
- 比特bit: 单个数字1或0 所占的位数
- 字节byte: 一个字节代表8位数字，以八位为单位处理数据
- eg. 二进制的 1011=1*2^0 + 1*2^1 + 0*2^2 + 1*2^3= 11（从右往左数）
- eg: 二进制的 10110111
- byte 在电脑中的单位换算：
- 1KB=2^10bit = 1024byte =1000B
- 1TB=1000GB
- 1GB=1000MB=10^6KB
2. 正数、负数、浮点数的表示
- 整数：
- 第 1 位：表示正负， 1 是负，0 是正（补码）
- 其余 31 位/63 位： 表示实数
- 浮点数（Floating Point Numbers）：小数点可在数字间浮动的数（非整数）
- 表示方法：IEEE 754 标准下用类似科学计数法的方式，存储十进制数值
- 浮点数=有效位数*指数
- 32 位数字中：第 1 位表示正负，第 2-9 位存指数。剩下 23 位存有效位数
- eg.625.9=0.6259（有效位数）*10^3（指数）
3. 编码规范
- ASCII
- 美国信息交换标准代码-ASCⅡ，用数字给英文字母及符号编号
- 内容：7 位代码，可存放 128 个不同的值, eg. A--65, a--97
- UNICODE
- 统一所有字符编码的标准, 解决 ASCⅡ不够表达所有语言的问题。
- 内容：UNICODE 为 17 组的 16 位数字，有超过 100 万个位置，可满足所有语言的字符需求。
五、 算术逻辑单元
1、基本概念
- 简称 ALU，Arithmetic&Logic Unit， 用大写V表示
- 组成：ALU 有 2 个单元，1 个算术单元和 1 个逻辑单元（Arithmetic Unit 和 Logic Unit）
- 作用：计算机中负责运算的组件，处理数字/逻辑运算的最基本单元。
- 图示内容包括：
- 输入 A，B，operation code 操作码：1000加法，1100 减法等
- 输出 0， 1
- 标志：溢出、零、负数
2. 算术单元
- 基本组件：由半加器、全加器组成，半加器、全加器由 AND、OR、NOT、XOR 门组成
- 半加器：用于计算个位的数字加减
- 输入：A，B
- 输出：总和sum，进位carry
- 全加器：用于计算超过 1 位的加法（ex：1+1+1），由于涉及进位，因此有 3 个输入（C 充当进位）
- 如何用半加器与全加器做 8 位数的加法(行波加法器)
- 半加器处理第 1 位数（个位）的加法，得到的和为结果的第 1 位
- 将输出的进位，输入到第 2 位用的全加器的输入 C 中
- 将第 2 位的 2 个数用全加器计算，得到的和为结果的第 2 位（sum）
- 将第 2 位计算的进位连接到百位的全加器输入 C 中
- 在第 3-8 位上，循环第 3-4 步的操作。
*现在电脑使用的加法器叫“超前进位加法器”
- 算术单元支持的其他运算
- 溢出：在有限的空间内，无法存储位数过大的数，则称为溢出
3. 逻辑单元
- 作用：执行逻辑操作，如 NOT、AND、OR 等操作，以及做简单的数值测试
六、 寄存器和内存
1. 基本概念
- 锁存器：锁存器是利用 AND、OR、NOT 逻辑门，实现存储 1 位数字的器件。
- 寄存器：1 组并排的锁存器
- 矩阵：以矩阵的方式来存放锁存器的组合件，n*n 门锁矩阵可存放 n^2 个锁存器，但同一时间只能写入/读取 1 个数字。（早期为 16*16 矩阵）
- 位址：锁存器在矩阵中的行数与列数。eg.12 行 8 列 1100 1000
- 多路复用器：一组电线，输入 2 进制的行址&列址，可启用矩阵中某个锁存器
- 内存（RAM）：随机存取存储器，由一系列矩阵以及电路组成的器件，可根据地址来写入、读取数据
2. 锁存器
通过设置和复位操作存储1位数字，需要同时输入两个数字信号，用两根线控制设置和复位操作
3. 门锁
只用 1 根电线控制数据输入，用另一根电线来控制整个结构的开关，当允许写入线输入为1 时更新数字
4. 寄存器
门锁只能存储一位数字，并排使用门锁，存储多位数字，1个n字节大小的数字需要用到 输入1+输出n+控制n
5. 门锁矩阵
- 当行和列同时为1时才会写入
- n*n 的矩阵有 n^2 个位址，则可以存储 n^2 个数。
- 1 个n*n矩阵只可表示出 1位数，n 个矩阵组合在一起，可记录 n 位数。
- 如1 个 8 位数，会按位数分成 8 个数，分别存储在 8 个矩阵的同一个位址中；8 个16*16矩阵，则可以记录 256 个 8 位数字。
通俗理解：16*16 的门锁矩阵，可理解为 1 个公寓，1 个公寓 256 个房间。8 个门锁矩阵并排放，则有了 8 个公寓。规定每一个公寓同一个编号的房间，都有一样的标记（地址），共同组成 8 位数字。那么 8 个公寓就能存 （8*256 / 8）个数字。
原因：16*16 的门锁矩阵虽然有 256 个位置，但每次只能存/取其中 1 个位置的数字。因此，要表示 8 位数字，就需要同时调用 8 个门锁矩阵。
使用方法：在多路复用器中输入位址，x 行 x 列（2 进制），即可点亮 x 行 x 列的锁存器。
举例：
|
行列数 |
矩阵 1 |
矩阵 2 |
矩阵 3 |
矩阵 4 |
矩阵 5 |
矩阵 6 |
矩阵 7 |
矩阵 8 |
|
1 行 5 列 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
2 行 3 列 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
6. 内存
粗略定义：将一堆独立的存储模块和电路看做 1 个单元，组成内存方块，n 个内存方块组成内存模块。在一个电路板上所有的内存方块统称为内存(RAM)。
七、 中央处理器
1、概念梳理
- CPU（Central Processing Unit）：中央处理单元，负责执行程序。通常由寄存器/控制单元/ALU/时钟组成。与 RAM 配合，执行计算机程序。CPU 和 RAM 之间用“地址线”、“数据线”和“允许读/写线”进行通信
- 指令：指示计算机要做什么，多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令
- 时钟：负责管理 CPU 运行的节奏，以精确地间隔，触发电信号，控制单元用这个信号，推动 CPU 的内部操作
- 时钟速度：CPU 执行“取指令→解码→执行”中每一步的速度叫做“时钟速度”，单位赫兹Hz，表示频率
- 超频/降频：
- 超频，修改时钟速度，加快 CPU 的速度，超频过多会让 CPU 过热或产生乱码
- 降频，降低时钟速度，达到省电的效果，对笔记本/手机很重要
2、CPU 工作原理
- 必要组件
- 指令表：给 CPU 支持的所有指令分配 ID
- 控制单元：像指挥部，有序的控制指令的读取、运行与写入
- 指令地址寄存器：类似于银行取号。该器件只按顺序通报地址，让 RAM 按顺序将指令交给指令寄存器
- 指令寄存器：存储具体的指令代码
- 过程
- 取指令：指令地址寄存器发地址给 RAM → RAM发该地址内的数据给指令寄存器 → 指令寄存器接受数据
- 解码：指令寄存器根据数据发送指令给控制单元 → 控制单元解码（逻辑门确认操作码）
- 执行阶段：控制单元执行指令( →涉及计算时 →调用所需寄存器 →传输入&操作码给ALU执行）→调用RAM特定地址的数据→RAM将结果传入寄存器→指令地址寄存器+1
前4位是指令操作码，后四位是操作数的寄存器地址， 有些是两位两位表示寄存器
八、指令和程序
1. 基本概念
- 指令：指示计算机要做什么的代码（机器码），多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令
- 指令和数据都是存在同一个内存里的
- 指令集：记录指令名称、用法、操作码以及所需 RAM 地址位数的表格
- 程序：实现特定功能的一系列微指令集
2. 指令的执行
- 原则：
- RAM 每一个地址中，都存放 0 或 1 个数据
- 特定的数字组合，就表示为一个指令，否则表示一个值
- LOAD 指令
- 计算机会按地址的顺序，读取 RAM 中所记录的指令/数据
- 计算机接受到指令后，如 LOAD_A，则通过数据线将数据传至寄存器 A
- ADD 指令：ADD B A 指令告诉 ALU，把寄存器 B 和寄存器中的数字加起来，存到寄存器 A 中
- JUMP 指令：
- 遇到 JUMP 指令，程序会跳转至对应的 RAM 地址读取数据
- JUMP 指令可以有条件跳转（如 JUMP-negative： 是负数才会跳转），也可以无条件跳转
- HALT指令： 表明程序结束
3. 计算机指令长度
现代计算机有两种方式解决指令不够用的问题：
- 最直接的是用更多位来表示指令，如 32 位或 64 位
- 采用“可变指令长度”，令不同的指令的长度不同，尽量节约位数，假设 1 个字为 16 位，如果某指令不需要操作内存，则可以省去寻址的位数
- 部分指令后面需要跟数据，如 JUMP，称为立即值。
九、高级CPU 设计
1. 基本概念- 缓存：在 CPU 中的小块 RAM，用于存储批量指令。为了不让 CPU 空等数据，在 CPU 内部设置了一小块内存，称为缓存，让 RAM 可以一次传输一批数据到 CPU 中。（不加缓存，CPU 没位置放大量数据）。缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算
- 缓存命中：想要的数据已经在缓存里
- 缓存未命中：想要的数据不在缓存里
- 脏位：缓存里每块空间，有个特殊标记，叫脏位，用于检测缓存内的数据是否与 RAM 一致，标志储存在缓存中与 RAM 不一致的数据
- 多核处理器：一个 CPU 芯片中，有多个独立处理单元。他们整合紧密，可以共享一些资源
2. 现代 CPU 如何提升性能：早期通过加快晶体管速度，来提升 CPU 速度。但很快该方法到达了极限；后来给 CPU 设计了专门除法电路+其他电路来做复杂操作：如游戏，视频解码
3. 空等：从 RAM 到 CPU 的数据传输有延迟（要通过总线，RAM 还要时间找地址、取数据、配置、输出数据）
4. 缓存同步：缓存同步一般发生在 CPU 缓存已满，但 CPU 仍需往缓存内输入数据。此时，被标记为脏位的数据会优先传输回 RAM,腾出位置以防被覆盖，导致计算结果有误
5. 指令流水线：让取址→解码→执行三个步骤同时进行。并行执行指令，提升CPU性能。使得原本需要 3 个时钟周期执行 1 个指令，现在只需要 1 个时钟周期
6. 存在问题：数据具有依赖性 跳转程序 ==》 解决方法：乱序运行、预测分支（高端 CPU）
7. 提升CPU性能，减少空等==》 批量处理多条指令==》 多核多CPU
十、 早期编程方式
1、早期编程
早期，电脑无内存的概念，人们通过打孔纸卡等物理手段，输入数据（数字），进入计算机。- 打孔纸卡/纸带：在纸卡上打孔，用读卡器读取连通电路，进行编程。原因，穿孔纸卡便宜、可靠也易懂。62500 张纸卡=5MB 数据
- 插线板：通过插拔线路的方式，改变器件之间的连接方式，进行编程
- 面板开关（1980s 前）：通过拨动面板上的开关，进行编程。输入二进制操作码，按存储按钮，推进至下一个内存位，直至操作完内存，按运行键执行程序。（内存式电脑）
2. 现代计算机基础结构——冯诺依曼计算机
冯诺依曼计算机的标志是，一个处理器(有算术逻辑单元)+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存
十一、 编程语言发展与基础
1. 基本概念
- 伪代码：用自然语言（中文、英语等）对程序的高层次描述，称为“伪代码”
- 助记符： 规定好的指令，汇编指令，如LOAD_A 14 使得可以不用每次都从伪代码翻译成二进制语言
- 汇编器：用于将汇编语言装换成机器语言。一条汇编语句对应一条机器指令，将助记符转成二进制
- 编程发展：高级编程语言→编译器→汇编码/机器码
- 安全漏洞&补丁：在 1940 年代，是用打孔纸带进行的，但程序出现了问题（也就是漏洞），为了节约时间，只能贴上胶带也就是打补丁来填补空隙，漏洞和补丁因此得名
2. 早期编程发展
- 早期二进制写代码：先在纸上写伪代码，用"操作码表"把伪代码转成二进制机器码，翻译完成后，程序可以喂入计算机并运行
- 汇编器&助记符： 1940~1950s，程序员开发出一种新语言， 更可读 更高层次（汇编码）。每个操作码分配一个简单名字，叫"助记符"。但计算机不能读懂“助记符”，因此人们写了二进制程序“汇编器"来帮忙，汇编器读取用"汇编语言"写的程序，然后转成"机器码"
- 最早高级编程语言“A-0”：1950s，为释放超算潜力，葛丽丝·霍普博士，设计了一个高级编程语言，叫 "Arithmetic Language Version 0"，一行高级编程语言 可以转成几十条二进制指令。但由于当时人们认为，计算机只能做计算，而不能做程序，A-0 未被广泛使用
- 高级编程语言 FORTRAN：1957 年由 IBM1957 年发布，平均来说，FORTRAN 写的程序，比等同的手写汇编代码短 20 倍，FORTRAN 编译器会把代码转成机器码。但它只能运行于一种电脑中
- 通用编程语言——COBOL：1959 年，研发可以在不同机器上通用编程语言。
- 高级语言："普通面向商业语言"，简称 COBOL：每个计算架构需要一个 COBOL 编译器，不管是什么电脑都可以运行相同的代码，得到相同结果
3. 现代编程语言:
- 1960s 起，编程语言设计进入黄金时代。
- 1960：ALGOL, LISP 和 BASIC 等语言
- 70 年代有：Pascal，C 和 Smalltalk
- 80 年代有：C++，Objective-C 和 Perl
- 90 年代有：Python，Ruby 和 Java
4. 编程基础
- 变量、赋值语句 ：如a=5 ，其中a为可赋值的量，叫做变量。把数字 5 放a里面.这叫"赋值语句"，即把一个值赋给一个变量
- if、while、for循环
- 函数：打包好的方法或者子程序，调用函数即可执行
5. 数据结构
包括但不限于数组，列表，向量，字符串，矩阵，结构体，指针，节点，链表，队列，栈，树，图等
6. 图灵问题
- 可判定性问题：是否存在一种算法，输入正式逻辑语句 输出准确的"是"或"否"答案
- 美国数学家 阿隆佐·丘奇，开发了一个叫"Lambda 算子"的数学表达系统，证明可判定性问题的算法不存在
- 图灵机：只要有足够的规则，状态和纸带，图灵机可以解决一切计算问题。和图灵机一样完备，叫做图灵完备。
- 停机问题：证明图灵机不能解决所有问题
- 图灵测试：向人和机器同时发信息，收到的回答无法判断哪个是人，哪个是计算机，则计算机达到了智能程度。
十二、 软件工程
- 对象：当任务庞大，函数太多，我们需要把函数打包成层级，把相关代码都放一起，打包成对象。对象可以包括其他对象，函数和变量。
- 面向对象编程：把函数打包成对象的思想叫做“面向对象编程”，面向对象的核心是隐藏复杂度，选择性的公布功能。
- API：当团队接收到子团队编写的对象时，需要文档和程序编程接口（API）来帮助合作。API控制哪些函数和数据让外部访问，哪些仅供内部
- public、private：表明哪些是共享的，哪些是内部成员调用的
- 集成开发环境（IDE）：程序员用来专门写代码的工具
- 调试（debug）：IDE帮你检查错误，并提供信息，帮你解决问题，这个过程叫调试
- 文档与注释：文档一般放在一个叫做README的文件里，文档也可以直接写成“注释”，放在源代码里，注释是标记过的一段文字，编译代码时，注释会被忽略。注释的唯一作用是帮助开发者理解代码
- 版本控制：版本控制，又称源代码管理。大型软件公司会把会把代码放到一个中心服务器上，叫"代码仓库"，程序员可以把想修改的代码借出，修改后再提交回代码仓库。版本控制可以跟踪所有变化，如果发现bug，全部或部分代码，可以"回滚"到之前的稳定版
- 质量控制：测试可以统称“质量保证测试”（QA），作用是找bug
- beta alpha：beta版软件，即是软件接近完成，但没有完全被测试过，公司有时会向公众发布beta版，以帮助发现问题。alpha是beta前的版本，一般很粗糙，只在内部测试
十三、 集成电路和摩尔定律
- 分立元件与数字暴政：一开始，计算机都有独立组件构成，叫"分立元件" ， 然后不同组件再用线连在一起，这会导致计算机的构成很复杂，这个问题叫做数字暴政
- 集成电路与仙童半导体
- 封装复杂性：与其把多个独立部件用电线连起来，拼装出计算机，不如把多个组件包在一起，变成一个新的独立组件。这种新的独立组件就叫集成电路（IC），仙童半导体（用硅做成）让集成电路变成了现实。
- 为了不用焊接或用一大堆线，发明了印刷电路板（PCB），通过蚀刻金属线的方式把零件连接到一起
- 光刻0421：即用光把复杂图案印到材料上。我们把一片薄片状的硅叫做晶圆，通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺叫做光刻
暴露出的氧化层被光刻胶保护，用特质酸熔解暴露氧化层，在进行掺杂操作，在氧化层做通道，用细小金属导线连接不同晶体管，再次用光刻胶和光掩模蚀刻出小通道，放一层铝或铜进行金属化。叠加并重复上述操作，得到晶体管
4. 摩尔定律：每两年左右，得益于材料和制造技术的发展 ，同样大小的空间，能塞进两倍数量的晶体管。
5. 进一步小型化芯片的难点：由于光的波长限制，精度已到极限。加上量子隧穿效应：当晶体管非常小，电极之间可能只距离几个原子，电子会跳过间隙，会产生漏电问题
十四、 操作系统概念
- 操作系统(OS)：是一种程序，不过它有操作硬件的特殊权限，可以运行和管理其他程序
- 批处理：一个程序运行后会自动运行下一个程序
- 外部设备：和计算机连着的其他设备，如打印机
- 设备驱动程序：为了使所写程序和不同类型的电脑兼容，我们需要操作系统充当软件和硬件之间的媒介，更具体地说，操作系统提供程序编程接口(API)来抽象硬件,叫“设备驱动程序”。程序员可以用标准化机制，和输入输出硬件（I/O）交互
- 多任务处理：操作系统能使多个程序在单个CPU上同时进行的能力，叫做“多任务处理”
- 虚拟内存：多程序处理带来了一个程序所占用内存可能不连续的问题，导致程序员难以追踪一个程序，为了解决这个问题操作系统会把内存地址虚拟化，这叫“虚拟内存”。
- 动态内存分配：虚拟内存的机制使程序的内存大小可以灵活增减，叫做“动态内存分配”，对程序来说，内存看上去是连续的。
- 内存保护：给每个程序分配单独的内存，那当这个程序出现混乱时，它不会影响到其他程序的内存，同时也能有效地防止恶意程序篡改其他程序，这叫做内存保护。
- 多用户分时操作系统（Multics）：用来处理多用户同时使用一台计算机的情况，即每个用户只能用一小部分处理器，内存等，
- Unix：把操作系统分成两个部分，一个是操作系统的核心部分，如内存管理，多任务和输入/输出处理，这叫做“内核”，第二部分是一堆有用的工具，比如程序和运行库。
十五、内存
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延迟线存储器：利用线的延迟在线里存储数据，又叫顺序存储器或者循环存储器，但不能随意调出数据， 难以增加内存密度
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磁芯：利用电磁感应原理，但成本高
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磁带、磁鼓、硬盘：访问速度慢
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内存层次结构：在计算机中，高速昂贵和低速便宜的内存混合使用以取得一个平衡软盘：除了磁盘是软的，其他都和硬盘一样，好处是便携
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光盘：原理：光盘表面有很多小坑，造成光的不同反射，光学传感器会捕获到，并解码为 1 和 0
- 固定硬盘（SSD）：里面是集成电路