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计算机科学速成课

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1：计算机早期历史

最早的计算机：算盘，发明于美索不达米亚，BC2500 。

星盘：计算经纬度

优势：计算设备让原先很费力的事情变得更快、更简单、更精确 、降低了门槛、加强了人们的能力。

computer发展：

计算者（职业）——步进计算机（里程表）—— 射程表（大炮）——差分机—— 分析机——打孔卡片制表机（1890美国人口普查）——IBM（企业开始研发机器替代人工，提高效率）

2：电子计算机

• 房间大小的计算机
• 哈佛马克一号，IBM在二战时期建造，。大脑是“继电器”， 速度慢，齿轮磨损。

3：布尔逻辑和电门

电路闭合，电流流过，代表真。电路断开，无电流流过，代表假。

晶体管是电控制开关、晶体管还可以通过不同大小的电流，表示不同的进制数。

乔治-布尔用逻辑方程，证明数学逻辑分析。在布尔代数中，变量的值是true和false，且能进行逻辑操作，变量的基本操作：NOT、AND、XOR（异或运算：A、B结果不同时，运算结果为1，否则为0）。

4：二进制

1个二进制可以代表一个数，可以增加位数表示更多信息，意味着每个左侧乘数必须是右侧乘数的两倍。

1字节即8bits表示范围：0~255，即8位都是0或8位都是1。能表示256个不同的值，即8位游戏色彩范围有256种。

32位和64位电脑指电脑最小内存地址大小，第一位表示正负。

ASCII和Unicode编码是都用计算机代码表示字符的标准库。

图像、音乐、视频都是二进制储存在电脑中。

5：算数逻辑单元

ALU：计算机里负责运算的组件（1个算术单元和1个逻辑单元），简单的ALU电路没有乘除法。

算数单元

HALF ADDER

FULL ADDER 8位行波进位加法器

如果第9位有进位，就会“溢出”。

逻辑单元

逻辑单元执行逻辑操作，如AND,OR,NOT

ALU单元

• 2个8bit输入
• 4bit操作码
• 8bit输出
• 结果标志flag
  • OVERFLO 溢出标志
  • ZERO结果为0标志，结果为0时标志为真。
  • NEGATIVE 结果为负标志，结果为负数时标志为假。

6：寄存器和内存

计算机内存

随机存取存储器（Random Access Memory, RAM），其只能在有电的情况下存储东西。

另一种存储称为持久存储（Persistent Memory），电源关闭时数据也不会丢失，它用来存其他东西。

锁存器AND-OR

通过OR逻辑单元将储存1和储存0的电路结合，得到能锁住1位（1bit）信息的电路。

两个输入，设置输入把输出变成1，复位输入把输出变成0；

门锁:GATED LATCH

为锁存器添加门锁得到能储存1bit的部件。

寄存器

如果我们并排8个锁存器，就能存储8位信息。一组这样的锁存器称为寄存器（Register），

寄存器能够存一个数字，这个数字的位数称为寄存器的位宽（Width）。

写入寄存器之前，要先启动里面所有的锁存器，可以将所有锁存器的允许写入线都连接在一起，把它设为1，然后用8条数据线发送数据，然后将允许写入线设回0，就能将8位数据存储在寄存器中。

门锁矩阵

对于256位的门锁矩阵（即锁存器矩阵），需要35条线：

• 1条“数据线”连接所有锁存器传递数据，每次只有一个锁存器会存取数据，
• 一条允许写入线，
• 一条允许读取线，
• 16行16列的线用于选择锁存器

多路复用器multiplexer

将地址转成锁存器矩阵的行和列。

256位寄存器

即对256位寄存器进行封装，输入是一个8位地址（1字节），4位代表列，4位代表行。

对其再进步一扩展，可以将8个256位内存拼在一起，这样就能一次读写8bit数据，也就是一个字节数据。

由于每个256位内存都使用相同的8位数据线，因此8位数据会存在每个256位内存的相同地址中，并且第一个256位内存存放第一位，第二个256位内存存放第二位，以此类推。

这个模块可以在256个地址中存储256个字节。

（由于这种设计，所以计算机中以一个字节为寻址的最小单位）

7：中央处理器 CPU

• RAM：内存
• 寄存器：存储临时数据
• 指令地址寄存器：存储当前指令的内存地址（追踪程序运行到哪里）。前四位是操作码，后四位是地址或寄存器。
• 指令寄存器：

CPU运行过程：

1. 取指令阶段：将指令地址寄存器连到RAM，将指令地址寄存器里的地址在RAM里的对应返回值复制到指令寄存器。
2. 控制单元解码阶段：根据指令表解码指令寄存器得到的指令，
3. 执行阶段：启用对应寄存器的“允许写入线”，存取数据，把“指令地址寄存器”+1.
4. 结束

CPU“取指令→解码→执行”的速度叫“时钟速度”，单位是赫兹，是用来表示频率的单位。

一赫兹代表1秒1个周期

计算机超频：修改始终速度，加快CPU速度，但是会让CPU过热，信号跟不上时钟速度，产生乱码。

当电脑待机或跑性能要求较低的程序时，需要降频，所以需要CPU“动态调整频率”

8：指令和程序

• ADD：加法指令

• SUB：减法指令

• JUMP:跳转指令，让程序转到新位置，改变指令顺序或跳过指令。

  • JUMP 0：跳回开头
  • 底层原理：把指令后4位代表的内存地址的值，覆盖掉“指令地址寄存器”里的值。

• JUMP_NEG:在ALU的“负数标志”为真时，进行JUMP

• JUMP IF EQUAL (如果相等)

• JUMP IF GREATER(如果更大)

• HALT:停止指令，能区分指令和数据

❤指令和数据存在同一个内存里，本质上没有区别，都是二进制数

因为4位指令地址寄存器只能最多表示16个值，即只能操作16个地址，现代CPU采用两种策略：

1. 增加指令长度：32位/64位
2. 可变指令长度

立即值：指令地址较长，指令包含操作码和指令地址，无需解码。

9：高级CPU设计

CPU缓存|CACHE：加快CPU从RAM读取数据的速度,缓存也可以当临时空间，为长/复杂运算储存中间值。

当想要的数据已经在缓存中叫做CACHE HIT， 如果不在叫做CACHE MISS

当缓存中的数据和RAM中不一致时 ，缓存每块空间有一个叫“DIRTY BIT”（脏位）的特殊标记。当缓存满了而CPU又要缓存时，在清理缓存腾出空间之前，会先检查“DIRTY BIT”，如果是DIRTY，在加载新内容之前会把数据写会RAM。

乱序执行：高端CPU动态排序 有依赖的关系的指令。

“推测执行”、“分支预测”：高端CPU遇到JUMP指令时，提前把可能执行的指令放进流水线。

多核处理器：一个CPU里有多个独立处理单元，同时运行多个指令流。

10：早期的编程方式

程序存在插线板→程序存在内存（储存程序计算机）

程序易于修改、方便CPU快速读取。如果内存足够不进可以存要运行的程序，还可以存程序需要的数据。

程序和数据存在一个地方，叫“冯诺依曼结构”

→一个处理器（有算数逻辑单元）＋数据寄存器＋指令寄存器＋指令地址寄存器 ＋内存（负责存数据和指令 ）

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11：编程语言发展史

机器语言/机器码：二进制

计算机早期阶段，必须用机器码写程序，先在纸上对程序进行高层次描述，然后用“操作码表”把伪代码转换成二进制机器码。

汇编器：一个可以重复使用的二进制程序，能读懂“汇编语言”写的文字指令，将其自动转成二进制指令（机器码)。一般来说，一条汇编指令对应一条机器指令。

伪代码：对程序的高层次描述

“助记符”：操作码的简单名字，助记符后面紧跟数据，形成完整的指令。

编译器：将高级语言转换成可以直接执行的机器语言，不用管寄存器或内存位置等底层细节，程序员只需要创建，代表内存地址的抽象，叫“变量”，给变量赋予变量名。

• 1960s：ALGOL,LISP,BASIC
• 1970s:PASCAL,C,SMALLTALK
• 1980s:C++，Objective-C，Perl
• 1990s:Python,Ruby,Java
• 2000s:Swift,C#,Go

12：编程原理

赋值语句： 把一个值赋给一个变量。

“初始化”：设置最开始的值。

控制流语句：如“if”

条件语句：判断是否执行控制流的语句

循环语句：如while

for循环：不判断条件，累计判断次数，会循环特定次数。

函数:为了隐藏复杂度，其他地方想用这个函数，直接写函数名就可以。函数结束，需要用return语句把结果交给使用这个函数的代码，指明返回什么。

库：预先编写好的函数集合

13：算法

算法：解决问题的具体步骤

记载最多的算法："排序"，如“选择排序”，是一种非常基础的算法。

选择排序“伪代码”示例：

“算法复杂度”：算法的输入大小和运行步骤之间的关系，表示运行速度的量级

选择排序算法复杂度：O(N^2)

归并排序算法复杂度：O(n*log n)，比选择排序更加高效。

图搜索算法:O(n log n+1)如地图线路规划

14：数据结构

数组：用[ ]括起来。 把多个连续的值存在数组变量里，拿出数组中的某一个值时，需要指定一个下标。数组下标从0开始计算。

字符串：用“ ”括起来。字符串在内存里以二进制0结尾，即null。

strcat：连接两个字符串，把第二个放到第一个结尾。

矩阵：数组的数组，为了取一个值，需要两个下标，比如 a= j [2] [1]

结构体（Struct）：把几个有关系的变量打包在一起，结构体和数组一样在创建时有固定大小，不能动态增加大小。

指针：指向一个内存地址

链表Linked list：链表是一种灵活的数据结构，能存多个节点node。可以用包含“指针”和"变量“的结构做链表。链表大小可以动态增减，可以创建一个新节点，通过改变指针的值，把新节点插入链表。

循环链表：链表最后一个指针指向第一个变量。

一个指针的链表：

• 队（queue）：先进先出（FIFO）

• 栈（stack）：后进先出（LIFO）

两个指针的链表：树（tree）

• 根节点：Root
• 子节点：children nodes
• 母节点：parent node，任何子节点的直属上层节点。
• 叶节点：leaf nodes ，没有任何“子节点”的节点.
• 二叉树：binary tree，节点最多有两个子节点

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15：阿兰-图灵 Alan Turning

解决可判断性问题

图灵机：

• 有无限长的纸带，纸带可以储存符号
• 有一个读写头，可以读取和写入纸带上的符号
• 有一个状态变量，保存当前的状态
• 有一组规则，描述及其做什么，规则根据当前状态+读写头看到的符号，决定机器做什么。结果可能是在纸带上写入一个符号，或改变状态，或把读写头移动一格，或执行这些动作的组合。

证明了计算机的计算能力是有限的

图灵测试：如果计算机能欺骗人类相信它是人类，才算是智能。

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16：软件工程

面向对象编程（Object Oriented Programming）：把函数打包成层级，把相关代码都放在一起，打包成对象（Objects ）,再将其放入相关的父类对象。

面向对象的核心：通过封装组件，隐藏复杂度，选择性的公布功能。

代码文档（doucumentation）:帮助理解不同层级的代码功能

API（程序编程接口）：通过定义public和private，控制哪些函数和数据让外部访问，哪些仅供内部。帮助不同程序员合作。

IDE（Integrated Development Environments 集成开发环境）：集成了帮助写代码、整理、编译、调试和测试代码的工具。

文档/注释：帮助开发者理解代码，提高代码复用性。

源代码管理（版本控制）：跟踪所有变化，如果新添加的代码发现BUG，可以回滚到之前的稳定版本。

测试Quality Assurance(QA)：质量保证测试。

alpha版本：在beta版之前的版本，错误很多，只在公司内部测试。

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17：集成电路&摩尔定律

早期的计算机都由独立的部件组成，用线连在一起。

1950s中期，晶体管开始商业化用于计算机。晶体管比电子管更小、更快、更可靠。将电子管全部替换晶体管后的新机器，IBM7090 速度快6倍，价格只有一半。

晶体管的出现标志着“数字2.0“，但还是没有解决”数字暴政“的问题。

集成电路IC（Integrated Circuits ）：把多个组件包在一起，变成一个新的独立组件。

集成电路材料从锗→硅。

❤印刷电路板—PCB：可以大规模生产，无需焊接或用一大堆线，他通过蚀刻金属线的方式连接零件。把PCB和IC结合使用，可以大幅减少独立组件和电线，但做到相同功能。

❥光刻电路板：用光把复杂图案印到材料上，比如半导体。 由硅制成的半导体晶圆，可以控制其导电时机。因此可以用晶圆做基础，把复杂金属电路放上面，集成所有东西。

光刻电路板制作步骤

1. 硅片表面清洗烘干

2. 涂底

   

3. 旋涂光刻胶

   

4. 软烘

   

5. 对准曝光

   软烘后用另一种化学物质，通常是一种酸，可以洗掉氧化层露出的部分，蚀刻到硅层，而氧化层会被光刻胶保护住，再用另一种化学药品洗掉光刻胶。

6. 后烘

   

   再使用几轮光刻法来做晶体管，与之前一样先盖氧化层，再盖光刻胶，再用新的光掩膜，在掺杂区域上方开一个缺口。

7. 显影

   再洗掉光刻胶。

8. 硬烘

   然后用另一种气体掺杂，把一部分硅转换成另一种形式。

9. 刻蚀

   

   

10. 光刻胶去除

    

用类似的步骤，光刻可以制作其他电子元件，比如电阻和电容，都在一片硅上。

1968年，罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔成立Intel（Intergrated和Electronics）。

集成电路的出现开启了计算3.0 ，现代集成电路由软件自动生成芯片设计。

摩尔定律的终结：

1. 用光掩膜把图案弄到晶圆上，因为光的波长，精度已达极限。科学家在研制波长更短的光源，投射更小的形状。
2. 当晶体管非常小，电极之间可能只有原子的距离，电子会跳过间隙，这叫：量子隧道贯穿，容易造成晶体管漏电。

18：操作系统-Operation Systems

当CPU越来越快，放程序的时间比程序运行的时间还要长，所以需要一种方式让计算机自动运作。

操作系统：简称OS，其实也是程序，但它有操作硬件的特殊权限，可以运行和管理其他程序。

当出现越来越多不同配置的计算机，需要操作系统充当软件和硬件之间的媒介，实现程序和不同型号外部设备的交互。

操作系统提供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/0）交互。例如，程序员只需要调用print方法，操作系统会处理输出到纸上的细节。

多任务处理：多个程序可以同时运行，在单个CPU上共享时间。给每个程序分配专属的内存块，每个程序在运行时都会占用一些内存，当切换到另一个程序时，我们不能丢失数据。

虚拟内存：程序可能会被分配到很多非连续的内存块，导致程序很难被追踪，为了隐藏这种复杂性，操作系统会把内存地址进行“虚拟化"，程序可以假定内存总是从0开始，而实际物理地址，被操作系统隐藏和抽象了。

动态内存分配：操作系统会自动处理虚拟内存和物理内存之间的映射。这种机制使程序的内存大小可以灵活增减。

内存保护：给程序分配专用内存，方便隔离。防止程序出错，或恶意软件（如病毒）。

"内核恐慌"（kernel panic）：计算机发生错误，把当前流程包装到panic函数，当流程被调用时，机器崩溃。

19：内存&储存介质-Memory&Storage

任何写入“储存器”的数据会一直存着，直到被覆盖或删除，断电不会丢失。

“顺序存储器”、“循环存储器”

• “延迟线存储器”
• 磁带

“随机存取存储器”：可以随时访问任何位置

• 磁芯存储器
• 磁鼓存储器
• 磁盘
• 软盘
• CD
• DVD
• 机械硬盘
• 固态硬盘SSD

寻道时间：磁盘访问数据的时间

20：文件系统-File System

文件在底层都是一样的：一长串二进制，由ASCII字符编码标准翻译。

WAV音频文件：

• 码率（bit rate）
• 单声道/立体声

元数据：在文件开头，在实际数据前面，也叫文件头（Header），储存文件属性。

目录文件：在文件最开头，位置0，记录其他文件的起始位置和长度，文件的名字，文件其他元数据。

计算机文件数据早期从头存到尾，连续存储。储存器没有文件的概念，只是储存大量的位。

现代计算机文件数据把空间分成一块块，导致有一些“预留空间”，可以方便改动。允许文件拆分存在多个“块”里。

删除文件数据：只需要在目录文件删除那条记录，这一块空间就变成了可用，但是并没有擦除数据，直到那些块被新数据覆盖。

碎片整理 ：计算机把数据来回移动，排列成正确顺序，增删改查导致。

分层文件系统：目录文件不仅要指向文件，还要指向目录 。最顶层叫根目录，移动文件时，只需要改两个目录文件，一个文件删除记录，另一个文件里加一条记录。

21. 压缩-Compression

压缩方法："消除冗余"、“用更紧凑的表示方法”

无损压缩：

• 游程编码
• 字典编码

有损压缩：用不同精度编码不同频段

• 感知编码：删除人类无法感知的数据的方法
• temporal redundancy：视频数据只保存前后帧不同的部分。
• 更高级视频压缩格式：找出帧与帧之间相似的补丁，然后用简单效果实现。

22. 命令行界面-Keyboards&Command Line Interfaces

打字机→电传打字机→屏幕打字机→命令行

23. 屏幕&2D 图形显示

阴极射线管CRT：原理是把电子发射到有磷光体图层的屏幕上，当电子撞击图层时，会发光几分之一秒。由于是带电粒子，路径可以用磁场控制.

1. 矢量扫描：屏幕内用板子或线圈把电子引导到想要的位置。因为发光只持续一小会，如果重复的足够快，可以得到由线段组成的清晰图像。

2. 光栅扫描：按固定路径，一行一行，从上向下，从左到右，不断重复，只在特定点打开电子束，以此绘制图形。

早期计算机不存像素表现图形，而是存符号。不是技术做不到，而是因为像素占太多内存。

字符生成器：基本算第一代显卡。早期计算机从内存读取字符，转换成光栅图形显示在屏幕上。内部的ROM中储存着每个字符的图形，叫“点阵图案”。显卡将看到的8位二进制代表的字符的点阵图案光栅扫描显示到屏幕的适当位置。这是一种省内存的技巧，但没办法绘制任意形状。

屏幕缓冲区：内存里专为图形显示保留的一块区域，程序想显示文字时，修改这块区域里的值就行。也可以实现交互式图形。

位图显示：像素计算机和显示器，内存中的bit对应屏幕上的像素。

24.冷战和消费主义

政府资金，推动了计算机的早期发展，让计算机行业活得足够久，使技术成熟到可以商用。公司和消费者把计算机变成了可以家用的主流。

25. 个人计算机革命

第一台取得商业成功的个人计算机——Altair 8800，比尔·盖茨为其写了BASIC代码解释器。

“解释器”和“编译器”类似，区别是“解释器”运行时转换，而“编译器”提前转换。

Apple-Ⅰ：苹果公司出售的主板，用户需要自己加键盘、电源和机箱。

Apple-Ⅱ：苹果公司第一个提供全套设备的产品，提供简单彩色图形和声音输出。

1970s末，计算机公司的营销策略开始针对普通消费者而不是企业和爱好者。

IBM PC：IBM的首个个人电脑，没用IBM的CPU和操作系统，选了Intel的芯片和微软的DOS系统。使用“开放式架构”，有较好的文档说明和扩展槽，使第三方可以做硬件/外设，激发了创新、竞争，产生了巨大的生态系统。

苹果选择“封闭式架构”，需要提高自身水平，提供比PC和DOS更好地用户体验。

Macintosh：苹果的一台突破性，价格适中的一体式计算机，普通人可以买到的第一台图形用户界面的计算机。 那时的计算机全是命令行，图形界面是个革命性进展。

26. 图形用户界面-Graphical User Interface

道格拉斯·恩格尔巴特：现代图形界面的先驱，创造了第一个鼠标。1968年“秋季计算机联合会议”上展示了他的系统demo（位图图像、视频会议、文字处理、实时协作编辑文件，鼠标和多窗口）。

桌面隐喻：道格拉斯·恩格尔巴特其团队成员开发了第一台带真正GUI的计算机，为了让计算机易于使用，需要借助一些人们已经熟悉的概念，将2D屏幕当做“桌面”，用户可以打开多个程序，每个程序都在一个框里，叫“窗口”，就像桌上的文件一样，窗口可以重叠，挡住后面的东西。

Windows95：微软第一个有精美GUI界面的系统，有当时Mac OS没有的“多任务”和“受保护内存”。

27. 3D图形

3D投影：3D图像中，点的坐标不是两点而是三点，图形算法负责把3D坐标显示到2D屏幕上。

线框渲染：所有的点都从3D转成2D后，就可以用2D线段的函数来连接这些点。

正交投影：正方体的各个边在投影中互相平行。

透视投射：在真实3D世界中，平行线段会在远处收敛于一点。

三角形适合画复杂图形：空间中，三点定义一个平面

一堆多边形的集合叫网格（mesh），网格越密集，表面越光滑，细节越多，但意味着更多的计算量。设计者需要平衡角色真实度和三角形的数量，防止帧数过低，因此有算法用来简化网格。

3D图像填充算法叫“扫描线渲染”，填充的速度叫“fillrate”（填充速率）。先找出最大和最小的Y值，然后在这两点间从上到下计算每一行和多边形相交的两个点，填满两个相交点之间的像素。 这样的三角形边缘满是锯齿。

抗锯齿：判断多边形切过像素的程度来调成颜色，如果像素在多边形内部，就直接涂颜色，如果多边形划过像素，颜色就浅一些。

遮挡：3D场景中，到处都是多边形（polygons），但是只有一部分能被看见，其他的被挡住了。

画家算法：渲染重叠的3D物体， 用一种排序算法从远到近排列，然后从远到近渲染。

深度缓冲： 这个算法会记录场景中每个像素和摄像机的距离，在内存里存一个数字矩阵。开始，每个像素的距离被初始化为“无限大”，然后算法从列表里第一个polygon开始处理，把polygon的距离和算法里记录的距离进行对比，他总是记录更低的值，当两个polygon距离相同时，哪一个画在上面是不可预测的。

背面剔除：3D游戏优化，游戏角色的头部或地面，只能看到朝外的一面，为了节省处理时间，会忽略polygon背面，减了一半的polygon面数。BUG是进入模型内部往外看，地面和头部会消失。

表面法线：物体上不同位置的polygon面对的方向。

明暗处理：每个polygon被照亮的程度不同，反射到观察者的光线也不同。

平面着色：基本的照明算法。

高洛德着色/冯氏着色：

纹理：在图形学中指外观，而不是手感。

纹理映射：结合多边形坐标和纹理坐标。纹理算法会查询纹理，从对应区域取平均颜色，并填充多边形。

28. 计算机网络

早期的计算机共享物理资源（如打印机）和储存空间。

局域网（LAN）：计算机近距离构成的小型网络。

以太网：一条以太网电线连接数台计算机，当一台计算机要传数据给另一台计算机时，以电信号的形式，将数据传入电缆。因为电缆是共享的，连在同一个网络里的其他计算机也看得到数据，所以以太网需要每台计算机有唯一的媒体访问控制地址，简称MAC地址（Media Access Control）。这个唯一的地址放在头部，作为数据的前缀发送到网络中。所以计算机监听以太网电缆，只有看到自己的MAC地址，才处理数据。

载波侦听多路访问CSMA（Carrier Sense Multiple Access）:多台电脑共享一个传输媒介。载体指运输数据的共享媒介。

带宽：载体传输数据的速度。

冲突：例如不同路线的计算机同时执行写入操作，计算机能够通过监听电线中的信号检测这些冲突。

指数退避：计算机网络线路冲突时，指数级增长等待时间。

交换机：为了减少同一载体中设备的数量，交换机将其分为两个不同的冲突域，交换机记录所有网络设备的MAC地址，必要时才在两个网络间传数据。

电路交换：人为把电路连接到专有线路

报文交换：有多个固定站点，可以用不同路由，使通信更可靠更能容错。 报文格式由“互联网协议”Internet Protocol（IP）定义。

报文交换的缺点：报文较大时会堵塞网络，因为要把整个报文从一战传到下一站后才能继续传递其他报文。

路由：网络数据中转站

阻塞控制：路由器会平衡与其他路由器之间的负载均衡，确保传输快速可靠。

数据包：将大报文分成很多小块，每个数据包都有目标地址，因此路由知道发到哪里。

分组交换：数据拆分为小数据包，通过路由灵活传递。好处：去中心化，没有权威机构，没有单点失败问题。

TCP/IP协议：同一个报文的多个数据包经过不同线路，到达顺序和拆分时可能不一样。TCP/IP可以解决乱序问题。

跳数（hop count）：消息沿着路由跳转的次数

跳数限制（Hop Limit）:防止路由的错误选择

29. 互联网

广域网WAN(Wide Area Network)：广域网的路由器一般属于“互联网服务提供商”。

互联网主干由一群超大型、带宽超高路由器组成。例如一个观看一个流媒体视频，其数据包要先到互联网主干，沿着主干到储存对应视频文件的服务器，期间要经过数次跳转。

IP协议

：定义数据包的头部的元数据格式。即，IP把数据包送到正确的计算机。

UDP协议

（用户数据报协议）： 储存端口号port number，每个想要访问网络的程序都要向操作系统申请一个端口号，当数据包到达时，接收方的操作系统会读UDP头部，读里面的端口号，根据程序请求的端口号匹配数据。即，UDP把数据包送到正确的程序。

UDP头部里有16进制的checksum“校验和”，用于检查数据是否正确。如果算出来的和，超过了16位能表示的最大值，高位数会被省略，保留低位。当接收方电脑收到这个数据包，它会重新将数据包的数据加在一起，如果结果和头部中的校验和一致，代表一切正常，如果不一致，数据肯定坏掉了。

TCP协议：

UDP不提供数据修复或重发机制，不能知道数据包是否到达，如果所有数据必须到达，就用“传输控制协议”Transmission Control Protocol（TCP）。TCP/IP组合就是把网络数据送到正确计算机的正确程序。

TCP-UDP的不同：

1. TCP数据包有序号

2. TCP要求接收方的电脑收到数据包并且“校验和”checksum检查无误后给发送方发一个确认码（简称ACK），代表收到了。得知上一份数据包成功抵达后，发送方会发下一份数据包。

3. TCP可以同时发多个数据包，收多个确认码

   确认码的成功率和来回时间可以推测网络拥堵程度，即测试丢包率和网络延迟。

当计算机访问一个网站时，需要：

1. IP地址
2. 端口号

DNS域名系统：解析域名，负责把域名和IP地址一一对应。浏览器访问网站时，先访问互联网供应商的DNS服务器，若服务器的列表中存在其域名就会返回对应的IP地址。

域名为树状结构：顶级域名→二级域名→次域名

OSI开放式系统通信模型

物理层:电信号,无线信号

数据链路层：负责控制“物理层”，有MAC地址，指数退避等底层协议。

网络层：负责报文交换和路由

传输层：UDP、TCP等点到点传输协议

会话层：TCP、UDP创建连接，传递信息，关掉连接。

表示层、应用层：浏览器，HTML解码，在线流媒体。

30.万维网 World Wide Web

万维网不等于Internet，互联网是传输数据的管道，其中传输最多数据的是万维网。其基本单位是单个页面。

URL：统一资源定位器（Uniform Resource Locator）

HTTP超文本传输协议

当访问一个网站时，1️⃣ 计算机先会做"DNS查找"，返回对应的IP地址后，2️⃣ 浏览器会打开一个TCP连接到这个IP地址存在的“网络服务器”，网络服务器的标准端口是80端口。3️⃣向服务器发送GET指令（HTTP协议）请求要访问的页面。4️⃣ 该指令以“ASCII编码”发送到服务器，服务器会返回该地址对应的网页，然后浏览器会渲染到屏幕上。5️⃣状态码在请求之前，状态码400~499代表客户端错误，如“404网页不存在”。

HTML超文本标记语言：是一种用于创建网页的标准标记语言。可以使用 HTML 来建立自己的 WEB 站点，HTML 运行在浏览器上，由浏览器来解析。

网页浏览器可以和网页服务器沟通，浏览器不仅获取网页和媒体，获取后还负责显示。

网络中立性network neutrality：应该应该平等对待所有数据包

限流Throttled：故意给更少带宽和更低的优先级。

31. 计算机安全

计算机安全即保护系统和数据的：

1. 保密性：仅有权限的人才能读取计算机系统和数据
2. 完整性：仅有权限的人才能使用和修改系统和数据。
3. 可用性：有权限的人应该随时可以访问系统和数据

身份认证：

1. 你知道什么
2. 你有什么
3. 你是什么

生物识别

访问控制：

沙盒：隔离程序，给程序独有的内存块。

32.黑客&攻击

白帽子：寻找并修复软件漏洞，让系统更安全。

缓冲区溢出buffer overflow：重要数据的值被垃圾数据覆盖会造成系统崩溃。解决办法：

1. 边界检查：可以在值复制到缓冲区之前检查其长度防止溢出。
2. 金丝雀：程序也可以放到缓冲区之后，留一些不用的内存空间，即金丝雀，然后跟踪里面的值，如果发生变化，说明有攻击者。

代码注入Code Injection：攻击数据库

第零日漏洞zero day vulnerability：未被开发者发现的漏洞

蠕虫：黑客掌握足够多有漏洞的电脑，可以让恶意程序在电脑间传播，这些电脑组在一起可以成为僵尸网络。可以用别人的电脑发送垃圾邮件，用别人的电脑算力和电费挖比特币，或发起"DDoS攻击"（拒绝服务攻击Distribute Denial of Service），攻击服务器。

DDoS攻击：僵尸网络里的所有电脑发送一大堆垃圾信息，堵塞服务器。

33. 加密

世上不存在100%安全的系统。

加密：用加密算法把明文转为密文。

• 替换加密
• 移位加密
• 对称加密：双方用一样的密钥加密和解密消息
• 非对称加密：：有公钥和私钥，公钥只能加密，私钥才可以解密；私钥加密后，也可以用公钥解密。一般用于签名（如RSA加密）。

英格玛（Enigma）：纳粹在战时使用的替换加密，有3个替换转子。字母加密后一定会变成另一个字母。

DES“数据加密标准”(Date Encrption Standard):1977年IBM和NSA开发，56bit长度的二进制密匙。

AES“高级加密标准”(Advanced Encryption Standard)：2001年，128位/192位/256位二进制密匙，AES将数据分成一块一块，每块16字节 。

密钥交换：

• 密钥1＋公匙＋密钥2
• 密钥2＋公匙＋密钥1

Diffie-Hellman单项函数：公开基数和模数 ,A把 “基数^{密钥1”发给B，B把“基数}密钥2”发给A。A和B把拿到的数进行模幂运算，最终得到一样的数。

34.机器学期&人工智能

机器学期算法让计算机可以从数据中学习，然后自行做出预测和决定。机器学期是为了实现人工智能这个宏大目标的技术之一。

分类器：做分类的算法

很多算法会减少复杂性，把数据简化成“特征”。

机器学习的目的是最大化正确分类+最小化错误分类

决策边界可以猜测飞蛾的种类，决策空间可以转换为“决策树”，

支持向量机：3D散点图

人工神经网络：神经元是细胞，用电信号和化学信号来传输和处理消息

35.计算机视觉

计算机视觉算法：例如跟踪一个物体，先记下物体颜色，保存最中心像素的RGB值，检查图像中最接近这个颜色的像素就可能是被跟踪物体，然后在视频的每一帧图片跑这个算法。

做智能避障时，需要知道图片中物体的边缘， 如果是垂直物体有垂直的颜色变化，图片中某像素是垂直边缘的可能性，取决于左右两边像素的颜色差异程度，如果颜色差异很小，就不是边缘。

卷积：把核应用于像素块

可以用加权法算出垂直边缘的像素值很高，如果要计算水平边缘需要用不同的敏感“核”。此类边缘增强的核叫“Prewitt”,它能做很多种图像转换。

卷积神经元网络 （深度学习）：一般有很多层，来识别复杂物体和场景，例如人脸识别

36.自然语言处理

有很多一词多义的词，解决这种模糊的问题，电脑需要知道语法。因此开发了计算机专用的“短语结构规则”和其他把语言结构化的方法，可以用来生成句子。当数据存在已有的语义信息网络中时，信息网络中的实体标签互相连接，这种方法尤其有效。

现代的聊天机器人使用机器学习，参考人与人的实际对话，让机器人与机器人对话，甚至可以发展处机器人自己更高效的语言。

语音识别：计算机性能大幅提升后，实时语音识别变得可行，同时出现了处理自然语言的新算法。

将声音波形装换为频率算法：Fast Fourier Transform(FFT)。

音素：以上构成单词的声音片段，英语中有44中音素。

语音合成：把一段文字分解成多个声音，然后播放。

37. 机器人

机器人的潜在含义是存在于现实世界中的机器

机器人简单运动如：在轨道上来回移动的机器爪子，可以指定它移动到特定位置。因为在不断缩小当前位置和目标位置的距离，所以这个控制模块叫“负反馈回路”。

控制回路负责把机器人的属性（如当前位置）变成期望值。软件负责做出计划并让机器人执行动作。

比例-积分-微分控制器proportional-integral-derivative controller（PID控制器）：即复杂的控制逻辑解决，解决机器人实际会受到各种外力的影响。

无人驾驶汽车、机器狗。

38.计算机心理学

易用度Usebility：指人造物体达到目的的效率有多高。

人类擅长给颜色强度排序，不同强度的颜色可以用来排序 ；然而不同颜色可以用来分类。

直观功能affordances：用户只需要看一眼就知道怎么做，不需要图片、文字等说明。

CMC以计算机为媒介沟通：比起面对面沟通，人们更愿意在网上透露自己的信息。

增强凝视：心理学研究表明，如果想说服，讲课，或引起注意眼神注释非常重要，这被证明可以促进参与感，帮助实现谈话目标。计算机视觉和图形软件可以纠正讲座录像中老师的眼睛和头部，让看视频的人觉得对方在看着他们，有更多参与感。

人机交互Human-Robot Interaction，简称HRI：研究人类和机器人交互，比如人类如何感受机器人的不同形式和不同行为，或者机器人如何明白人类的社交暗示等。

39.教育科技

MOOC

匹配算法，匹配学习伙伴。

部分作业机器打分

智能辅导系统：Intelligent Tutoring Systems： 个性化学习推荐，“判断错误规则”+选择算法，组合在一起成为“域模型”，帮助学习者解决特定问题。

学生已经知道某项技能的概率是多少=之前已经学会的概率+做题过程中学会的概率

40. 奇点，天网，计算机的未来

几十年来，大多数界面和计算机设计，都是朝着“戏剧性方向前进”。想把计算机做的超级好，让人一刻也不想离开，把计算机整合到所有东西里，用的时候很自然，完全注意不到。

如果现在的处理器处理能力增长趋势保持，人的参与会越来越少，人工超级智能会开始改造自己，智能科技的失控性发展叫“奇点”singularity。

“技术性失业”：除了非重复性思维型工作，其余60%的工作可能被自动化代替。

虚拟助手

标签：计算机,计算机科学,程序,速成,算法,指令,内存,数据
From： https://www.cnblogs.com/horuschen/p/16814713.html