计算机科学速成课1（p1-p6）

P1 计算机早期历史-Early Computing

　　最先的计算设备--算盘，手动计算器，存储着当前的计算状态。

 

P2 电子计算机-Electronic Computing

　　最先的机电计算器之一，哈佛Mark 1号，这台机器的大脑是继电器。继电器里，有个控制线路，控制电路是开仍是关，控制线路连着一个线圈，当电流经过线圈的时候，线圈产生电磁场，吸引金属臂，从而闭合电路。

　　可是继电器的机械臂有质量，所以没法快速的开关。除了速度慢以外，还会形成磨损，增长故障率。

 　　因此，想要进一步提升计算能力，须要更快更可靠的东西来代替继电器，即真空管。以下图，向控制电极施加正电荷，会容许电子流动，施加负电荷，会阻止电子的移动。因此经过控制电路，能够打开或关闭电路，和继电器的功能同样，但磨损更少，每秒能够开闭数千次。

　　这标志着计算机从机电转向电子。（electro-mechanical computing to electronic computing）

　　　　　　　　

 　　为了下降成本和大小，同时提升可靠性和速度，须要一种新的电子开关——晶体管。晶体管远远小于继电器和真空管，每秒能切换上百万次，而且能工做几十年。

 　　　　

　　从继电器---真空管--晶体管，让电路开闭的愈来愈快。

P3 布尔逻辑 和 逻辑门-Boolean Logic & Logic Gates

　　计算机采用二进制，多进制带来的问题是，状态越多，越难区分信号。

 

 

 

 　　只用开和关两种状态，能够减小这类问题。

 

 　　另外一个使用二进制的缘由是，有一整个数学分支，专门处理“真”和“假”，已经解决了全部法则和运算，即“布尔代数”。布尔代数中，变量的值不是数字，而是true和false，能进行逻辑操做。布尔代数中有三个基本操做，NOT、AND、OR，用晶体管能够实现。

　　晶体管有三根线，2根电极和1根控制线，控制线通电时，电流就能够从一个电极流向另外一个电极。将控制线当输入，底部电极用于输出，因此一个晶体管有一个输入和一个输出

　　　　　　

　　这样的话，打开输入，输出也会打开（输入为true，输出为true），关闭输入，输出也会关闭（输入为false，输出为false），对应的真值表：

　　

　　实现NOT GATE：将输出放在上面那个电极，打开输入，电流流过接地，那么输出没有电流，即输入true，输出false。

　　当输入是off，电流无法接地，就流过了输出，输出是on。

　　对应的NOT真值表

　　实现ADD GATE：将两个晶体管链接在一块儿，A和B都打开了，才会有输出。

　　对应的ADD真值表：

　　实现OR GATE：将两个晶体管并联起来，以下。

　　对应的OR真值表：

 　　NOT门，AND门，OR门均可以用晶体管表示。抽象表示以下，能够用来构建更大的组件。

　　　　

P4 二进制-Representing Numbers and Letters with Binary

 

　　计算机如何存储和表示数字？

　　数字：位来表示（1和0 即true和false），1bytes = 8bits（0～255），32位计算机或64位计算机意味着是一块块处理数据，每块是32位或64位

　　字母：给字母编码，用数字来表示 ASCII--Unicode

　　因此，短信，YouTube视频，互联网上的网页，操做系统，只不过是一长串的1和0。

 

P5. 算术逻辑单元-How Computers Calculate-the ALU

 

 

 　　表示和存储数字是计算机的重要功能，但真正的目标是计算和有意义的处理数字。好比两个数字相加。这些操做由计算机中的“算术逻辑单元”（ALU）处理。ALU是计算机中负责运算的组件。

 

 　  ALU有两个单元，算数单元和逻辑单元

　　算数单元：负责计算机里的全部数字操做，如半加器和全加器组成的加法器（由一大堆逻辑门巧妙的链接在一块儿）

 

 　　但想要处理超过1+1的运算，就须要全加器了。

 

　　有了半加器和全加器，利用他们来相加两个8位的数字。

 

 　　这样也能够获得16或32位加法器，可是须要更多的逻辑门，而这种方式每次进位都须要一点时间，而现在的计算器量级是每秒几十亿次运算，因此会形成影响。现代计算机用的加法电路有点不一样，“超前进位加法器”。

 

　　逻辑单元：执行逻辑操做，ADD--OR--NOT等操做。

 　　计算出以后若是扔掉了就没什么意义了，得找个办法存起来，这就用到了计算机内存了

 

P6. 寄存器 & 内存-Registers and RAM

 

ADD-OR锁存器实现存储1位的信息

 　　

完善一下，将两个输入改为一个输入，添加一个容许写入线，获得门锁

　　

　　抽象一下，把门锁放到一个盒子里，这个盒子可以存储一个bit

　　

　　容许输入线输入1，打开门，数据输入1，1就能够保存在门锁中，数据输出是1，此时关闭容许写入线，不管数据输入是1仍是0，门锁中保存的都是1，输出也永远都是1。

 　　若是并排放8个锁存器，那就能够存8位信息，好比一个8bit的数据，一组这样的锁存器就叫作寄存器。

　　

　　写入寄存器以前，要先启用里面全部的锁存器。用一根线链接全部的“容许输入线”，将之设置为1，容许写入

 　　

　　

　　

　　若是这样并排放置，以64位寄存器为例，须要64根数据线，64根连到输出端，一根线启用全部的锁存器，加起来须要64+64+1 = 129根线。就要存256位就须要256+256+1 = 513条线，这样线太多，解决方法就是矩阵。

　　在矩阵中，不是并列排放锁存器，而是作成网格

　　

　　

　　启用某个锁存器，就打开相应的行线和列线就好

　　

　　咱们只想打开交叉处锁存器的容许写入线，全部其余的锁存器保持关闭。看下图，只有行线和列线均为1，ADD门才会输出1，用一根容许写入线连全部的锁存器，因此为了让该锁存器容许写入，行线和列线以及容许写入线都必须是1，每次只有一个锁存器会这样，这样就能够只用一个数据线来链接全部的锁存器来传输数据，由于只有一个锁存器会启用，只有那个会存数据，其余锁存器会忽略数据线上的值，由于没有容许写入。一样能够用相似的技巧，作容许读取线来读数据，从一个指定的锁存器中读取数据。

　　因此对于256位的存储，只须要1条数据线传输数据，1条容许写入线，1条容许读取线，还有16条行线+16条列线用于选择锁存器，即须要1+1+1+16+16 = 35条线。相比于并排排列的513条线，节省许多。

　　

　　接下来就须要某种方法来惟一指定交叉点的地址，好比刚刚存了一位的地址是“12行8列”，因为最多只有16行（16列），因此能够用4bit来表示行数（列数），这样行地址（12）就能够表示成1100，列地址（8）表示成1000，即12行8列的地址就能够表示成11001000。计算机将地址转化成对应的行列时须要用到多路复杂器。

 　　将256位内存抽象成一个总体，以下图，其中：

　　　　输入一个8位的地址，4位表明列，4位表明行

　　　　容许写入线和容许读取线

　　　　一条数据线，用于读/写数据

　　

　　256位的内存也无法作成什么事，因此还要扩大规模。将之并排放置，像寄存器同样，一行8个，这样每一个存一位，一行8个就能够存一个8位的数字，也就是能够存一个字节。为了存一个8位的数字，同时给这8个256位内存同样的地址，每一个地址存一位，这就意味着总共能够存储256个字节。

　　

　　抽象一下，将之当作一个总体的可寻址内存，有256个地址，每一个地址能读或写一个8位值

　　

　　这样不断的把内存打包到更大的规模，就能够扩展到上兆字节（MB）和千兆字节（GB）的现代计算机，随着内存地址的增多，内存地址也必须增加，8位最多能够表明256个内存地址，更多字节的存储就须要32位的地址。

　　内存的一个重要的特性是：能够随时访问任何位置，所以称之为“随机存取存储器”（Random Access Memory或RAM）

 　　看一下下图的内存，上面焊了8个内存模块

　　

　　打开一个，而后放大，会看到32个内存方块

　　

　　放大其中一个方块，看到有4个小块

　　

　　再放大，就能够看到存储“位”的矩阵，这个矩阵是128位 * 64位，总共8192位，一层层叠加，8192 * 4 * 32 * 8 = 800万位，也就是1兆字节（1 MB）。

　　

　　矩阵层层嵌套，来存储大量的信息。就像计算机中的不少事情，底层都很简单，让人难以理解的是，一层层精妙的抽象。