計算機科學速成課1（p1-p6）

P1 計算機早期歷史-Early Computing

　　最先的計算設備--算盤，手動計算器，存儲着當前的計算狀態。

 

P2 電子計算機-Electronic Computing

　　最先的機電計算器之一，哈佛Mark 1號，這臺機器的大腦是繼電器。繼電器裏，有個控制線路，控制電路是開仍是關，控制線路連着一個線圈，當電流經過線圈的時候，線圈產生電磁場，吸引金屬臂，從而閉合電路。

　　可是繼電器的機械臂有質量，所以沒法快速的開關。除了速度慢以外，還會形成磨損，增長故障率。

 　　因此，想要進一步提升計算能力，須要更快更可靠的東西來代替繼電器，即真空管。以下圖，向控制電極施加正電荷，會容許電子流動，施加負電荷，會阻止電子的移動。因此經過控制電路，能夠打開或關閉電路，和繼電器的功能同樣，但磨損更少，每秒能夠開閉數千次。

　　這標誌着計算機從機電轉向電子。（electro-mechanical computing to electronic computing）

　　　　　　　　

 　　爲了下降成本和大小，同時提升可靠性和速度，須要一種新的電子開關——晶體管。晶體管遠遠小於繼電器和真空管，每秒能切換上百萬次，而且能工做幾十年。

 　　　　

　　從繼電器---真空管--晶體管，讓電路開閉的愈來愈快。

P3 布爾邏輯 和 邏輯門-Boolean Logic & Logic Gates

　　計算機採用二進制，多進制帶來的問題是，狀態越多，越難區分信號。

 

 

 

 　　只用開和關兩種狀態，能夠減小這類問題。

 

 　　另外一個使用二進制的緣由是，有一整個數學分支，專門處理「真」和「假」，已經解決了全部法則和運算，即「布爾代數」。布爾代數中，變量的值不是數字，而是true和false，能進行邏輯操做。布爾代數中有三個基本操做，NOT、AND、OR，用晶體管能夠實現。

　　晶體管有三根線，2根電極和1根控制線，控制線通電時，電流就能夠從一個電極流向另外一個電極。將控制線當輸入，底部電極用於輸出，因此一個晶體管有一個輸入和一個輸出

　　　　　　

　　這樣的話，打開輸入，輸出也會打開（輸入爲true，輸出爲true），關閉輸入，輸出也會關閉（輸入爲false，輸出爲false），對應的真值表：

　　

　　實現NOT GATE：將輸出放在上面那個電極，打開輸入，電流流過接地，那麼輸出沒有電流，即輸入true，輸出false。

　　當輸入是off，電流無法接地，就流過了輸出，輸出是on。

　　對應的NOT真值表

　　實現ADD GATE：將兩個晶體管鏈接在一塊兒，A和B都打開了，纔會有輸出。

　　對應的ADD真值表：

　　實現OR GATE：將兩個晶體管並聯起來，以下。

　　對應的OR真值表：

 　　NOT門，AND門，OR門均可以用晶體管表示。抽象表示以下，能夠用來構建更大的組件。

　　　　

P4 二進制-Representing Numbers and Letters with Binary

 

　　計算機如何存儲和表示數字？

　　數字：位來表示（1和0 即true和false），1bytes = 8bits（0～255），32位計算機或64位計算機意味着是一塊塊處理數據，每塊是32位或64位

　　字母：給字母編碼，用數字來表示 ASCII--Unicode

　　因此，短信，YouTube視頻，互聯網上的網頁，操做系統，只不過是一長串的1和0。

 

P5. 算術邏輯單元-How Computers Calculate-the ALU

 

 

 　　表示和存儲數字是計算機的重要功能，但真正的目標是計算和有意義的處理數字。好比兩個數字相加。這些操做由計算機中的「算術邏輯單元」（ALU）處理。ALU是計算機中負責運算的組件。

 

 　  ALU有兩個單元，算數單元和邏輯單元

　　算數單元：負責計算機裏的全部數字操做，如半加器和全加器組成的加法器（由一大堆邏輯門巧妙的鏈接在一塊兒）

 

 　　但想要處理超過1+1的運算，就須要全加器了。

 

　　有了半加器和全加器，利用他們來相加兩個8位的數字。

 

 　　這樣也能夠獲得16或32位加法器，可是須要更多的邏輯門，而這種方式每次進位都須要一點時間，而現在的計算器量級是每秒幾十億次運算，因此會形成影響。現代計算機用的加法電路有點不一樣，「超前進位加法器」。

 

　　邏輯單元：執行邏輯操做，ADD--OR--NOT等操做。

 　　計算出以後若是扔掉了就沒什麼意義了，得找個辦法存起來，這就用到了計算機內存了

 

P6. 寄存器 & 內存-Registers and RAM

 

ADD-OR鎖存器實現存儲1位的信息

 　　

完善一下，將兩個輸入改爲一個輸入，添加一個容許寫入線，獲得門鎖

　　

　　抽象一下，把門鎖放到一個盒子裏，這個盒子可以存儲一個bit

　　

　　容許輸入線輸入1，打開門，數據輸入1，1就能夠保存在門鎖中，數據輸出是1，此時關閉容許寫入線，不管數據輸入是1仍是0，門鎖中保存的都是1，輸出也永遠都是1。

 　　若是並排放8個鎖存器，那就能夠存8位信息，好比一個8bit的數據，一組這樣的鎖存器就叫作寄存器。

　　

　　寫入寄存器以前，要先啓用裏面全部的鎖存器。用一根線鏈接全部的「容許輸入線」，將之設置爲1，容許寫入

 　　

　　

　　

　　若是這樣並排放置，以64位寄存器爲例，須要64根數據線，64根連到輸出端，一根線啓用全部的鎖存器，加起來須要64+64+1 = 129根線。就要存256位就須要256+256+1 = 513條線，這樣線太多，解決方法就是矩陣。

　　在矩陣中，不是並列排放鎖存器，而是作成網格

　　

　　

　　啓用某個鎖存器，就打開相應的行線和列線就好

　　

　　咱們只想打開交叉處鎖存器的容許寫入線，全部其餘的鎖存器保持關閉。看下圖，只有行線和列線均爲1，ADD門纔會輸出1，用一根容許寫入線連全部的鎖存器，因此爲了讓該鎖存器容許寫入，行線和列線以及容許寫入線都必須是1，每次只有一個鎖存器會這樣，這樣就能夠只用一個數據線來鏈接全部的鎖存器來傳輸數據，由於只有一個鎖存器會啓用，只有那個會存數據，其餘鎖存器會忽略數據線上的值，由於沒有容許寫入。一樣能夠用相似的技巧，作容許讀取線來讀數據，從一個指定的鎖存器中讀取數據。

　　因此對於256位的存儲，只須要1條數據線傳輸數據，1條容許寫入線，1條容許讀取線，還有16條行線+16條列線用於選擇鎖存器，即須要1+1+1+16+16 = 35條線。相比於並排排列的513條線，節省許多。

　　

　　接下來就須要某種方法來惟一指定交叉點的地址，好比剛剛存了一位的地址是「12行8列」，因爲最多隻有16行（16列），因此能夠用4bit來表示行數（列數），這樣行地址（12）就能夠表示成1100，列地址（8）表示成1000，即12行8列的地址就能夠表示成11001000。計算機將地址轉化成對應的行列時須要用到多路複雜器。

 　　將256位內存抽象成一個總體，以下圖，其中：

　　　　輸入一個8位的地址，4位表明列，4位表明行

　　　　容許寫入線和容許讀取線

　　　　一條數據線，用於讀/寫數據

　　

　　256位的內存也無法作成什麼事，因此還要擴大規模。將之並排放置，像寄存器同樣，一行8個，這樣每一個存一位，一行8個就能夠存一個8位的數字，也就是能夠存一個字節。爲了存一個8位的數字，同時給這8個256位內存同樣的地址，每一個地址存一位，這就意味着總共能夠存儲256個字節。

　　

　　抽象一下，將之當作一個總體的可尋址內存，有256個地址，每一個地址能讀或寫一個8位值

　　

　　這樣不斷的把內存打包到更大的規模，就能夠擴展到上兆字節（MB）和千兆字節（GB）的現代計算機，隨着內存地址的增多，內存地址也必須增加，8位最多能夠表明256個內存地址，更多字節的存儲就須要32位的地址。

　　內存的一個重要的特性是：能夠隨時訪問任何位置，所以稱之爲「隨機存取存儲器」（Random Access Memory或RAM）

 　　看一下下圖的內存，上面焊了8個內存模塊

　　

　　打開一個，而後放大，會看到32個內存方塊

　　

　　放大其中一個方塊，看到有4個小塊

　　

　　再放大，就能夠看到存儲「位」的矩陣，這個矩陣是128位 * 64位，總共8192位，一層層疊加，8192 * 4 * 32 * 8 = 800萬位，也就是1兆字節（1 MB）。

　　

　　矩陣層層嵌套，來存儲大量的信息。就像計算機中的不少事情，底層都很簡單，讓人難以理解的是，一層層精妙的抽象。