《重新了解计算机基础》- Crash Course Computer Science（计算机科学速成课）笔记15-21

1. 阿兰 图灵（1912生于伦敦）没太看懂这章

1. 相关问题

1. 可判断性问题

2. Lambdo算子

3. 图灵机：

1. 纸带、读写头、状态变量、一组规则

2. 一个强大的计算模型

3. 图灵证明了图灵机可以完成任何计算

4. 图灵完备：图灵完备是指在可计算性理论里，如果一系列操作数据的规则（如指令集、编程语言、细胞自动机）可以用来模拟单带图灵机

5. 图灵机的停机问题

1. 如何证明无法实现：

1. 一台机器：机器的程序为判断输入程序是否会停机，如果会停机，就继续运行程序，如果不会停机就把，就停止运行程序。

2. 假设输入的程序就是该机器本身的程序，那么当输入的程序会停机的话，那么输出yes,程序继续运行不会停机，假设不会停机得到话，输出no程序停止运行。

3. 然而得出的结果相悖（涉及到罗素悖论和理发师悖论），所以不成立，无法实现。

4. 事实证明，不是所有事情都可以用计算来完成

6. 丘奇图灵论题：可计算性理论

7. 图灵测试：指测试者与被测试者（一个人和一台机器）隔开的情况下，通过一些装置（如键盘）向被测试者随意提问。进行多次测试后，如果机器让平均每个参与者做出超过30%的误判，那么这台机器就通过了测试，并被认为具有人类智能。

1. 现代的延伸图灵测试：验证码

2. 软件工程：预防程序错误

1. 面向对象编程：为了解决代码过多，一个人无法完成，用到了将函数打包成对象层级的思想

1. 核心：隐藏复杂度，选择性公布功能

2. API：程序编程接口，实现不同对象之间的连接与交互

3. 对象权限举例

1. public:其他对象都可以调用

2. private:只有同一对象内的其他函数可以调用

4. 集成开发工具：IDE,idea、eclipse等。

5. 程序文档：为了帮助开发者理解代码提高代码的复用性

1. 常用方式

1. 文档

2. 注释

6. 源代码管理：版本控制，代码仓库。例如GIT、SVN等。

7. 源码测试：质量保证测试QA,z在代码编写完成后，测试代码的bug也就是软件的beta版

3. 集成电路和摩尔定律（了解完软件发展之后又回归硬件发展）

1. 电子计算机时代(1940-1960):

1. 计算机由不同的分立元件（只有一个电路元件的组件）用线连接而成

1. 分立元件：只有一个电路元件的组件，可以是被动的电容、电阻、电感也可以是主动的晶体管、真空管

2. ENICA:世界上第一台电子数值计算机，包含1万7千多个晶体管，7万个电阻、1万个电阻、7千个二极管、5百万个手工焊点。

3. 数字暴政：指提高计算机性能，就需要更多的部件，也就需要更复杂更多的电线。

2. 计算机2.0时代（1950年）（晶体管商业化）：

1. IC集成电路（多个组件封装在一起）：芯片的核心

1. 出现的契机：数字暴政，复杂繁多的分立元件，无法更高效利用发展计算机。

2. 现代集成电路之父：1954年Robert Noyce的仙童半导体：硅Si让集成电路成为现实，开创了电子时代，创立了硅谷。

3. IC发展

1. 1960初期集成电路只能容纳五个左右晶体管

2. 1960中期IC可容纳100个左右晶体管

3. 1971年的Intel 4004 可容纳2300个晶体管

4. 1980年可容纳3万个晶体管

5. 1990年可容纳100万个晶体管

6. 2000年可容纳3000万个晶体管

7. 2010年可容纳10亿个晶体管

4. 摩尔定理（趋势）：

1. 内容：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍

2. 然而近些年

2. PCB印刷电路板：时刻金属线

1. 出现契机：集成电路虽然将组件封装起来，但以及需要很多插线来连接电路，这使计算机需要复杂的布线，才能完成工作。

2. 印刷电路板通过蚀刻金属线来连接线路，有效的解决了布线问题

3. 光刻:用光把图案印在材料上，例如半导体材料

1. 出现契机：印刷电路板和集成电路有效的所建立组件的大小，但晶体管缩小困难，一块集成电路上最多也只能放5个晶体管。

2. 光刻原理（举例为晶体管，其他分立元件也可以通过类似的蚀刻制造）：

1. 都先在一块晶圆(半导体硅)上覆盖一层氧化层保护膜，保护膜上再覆盖一层光刻胶，再将不需要光照射的部分用光刻胶覆盖。

2. 用强光照射未被覆盖的光刻胶，发生化学反应，光刻胶被溶解，暴露出氧化层。

3. 再用一种特定的酸洗掉露出的氧化层。在用特殊化学品将光刻胶洗掉。

4. 通过“掺杂”修改硅的露出部分，提高导电性

1. 用高温气体磷掺杂

2. 渗透进暴露的硅，改变其电学性质

5. 重复上述第一步及之后的操作，通过另一种掺杂吗，转化硅的另一种性质。

6. 在氧化层上通过光掩模、光刻胶蚀刻出新的小通道，用于连接其他晶体管。

7. 在最上方再放一层金属铝或铜。

8. 在金属层上再放一层光掩模、光刻胶，蚀刻光刻胶和金属层。

3. 优点：

1. 晶体管越小，移动电荷量越小，状态切换越快，耗电量更小

2. 电路紧凑，信号延迟更低、时钟速度更快

4. 摩尔定理（趋势）：

1. 内容：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍

2. 然而近些年因为量子隧穿效应（晶体管非常小时，电子之间可能只距离几个原子，电子可能会穿过间隙），以及光的波长及精度已经到了极限，需要研究波长更短，光源更小的光来继续发展芯片容量大小。

4. 操作系统（有操作硬件的权限，可以运行和管理其他程序，实现同时运行多个程序）

1. OS的发展

1. 出现契机：1940-50年代，一台计算机只能一次运行一个程序，一个程序运行完，需要工作人员再把下一个程序的纸卡放入计算机，但是随着科技的发展，程序运行速度加快，一个程序运行的速度比放入纸卡的时间还快，为了更高效利于计算机，出现了操作系统OS.

2. 世界第一台超级计算的Atlas的世界第一个操作系统Atlas Supervisor：实现了虚拟内存和动态保护

1. 实现了自动加载程序：

1. 批处理：多个程序连续自动执行

2. 多任务处理：程序调度

1. 实现单个CPU同时运行多个程序

2. 程序同时运行需要解决以下问题：

1. 在切换程序时，如何保证之前的程序数据不会丢失

2. 解决方法：给每个程序分配专属的内存块，当一个程序需要请求多块内存，操作系统同意后，会分配给程序可能不连续的内存块，这就使得内存地址打印出来可能是完全不连续的两块地址，为了隐藏不同地址内存块可能出现的复杂度，操作系统给出了以下解决方案：

1. 操作系统将内存虚拟化：虚拟内存

2. 这样就很好的实现了动态内存分配

3. 也实现了内存保护，不会让一块程序错乱影响到另一块。

3. OS为外部设备提供了API抽象：设备驱动程序，可以用变准话机制和输入输出硬件I/O交互

3. 分时操作系统：实现了多用户可以通过终端（键盘加屏幕）同时访问

1. 为了防止一个用户占用所有CPU和内存：分时操作系统是给每个用户分配一小块处理器和内存

2. Multics多任务信息与计算操作系统：

1. 早期最著名的分时操作系统

2. 第一个在设计时考虑安全的系统

3. 然而因为考虑安全等问题，使操作系统的复杂度超过了当时的水准，而后发明了UNIX

4. UNIX操作系统

1. 将OS分为两块

1. 内核：多任务、输入输出处理 、内存管理

2. 工具：程序、运行库等

2. 内核恐慌：当程序错误，循环弹出“恐慌”

5. Windows:1985年微软早期的Windows仍然缺少内存保护，程序崩溃会导致系统蓝屏

6. 现代操作系统还有

1. Mac OS X

2. Windows11

3. Linux

4. Android

5. 内存和存储介质

1. 内存：易失性存储器

2. 存储器：非易失性

1. 最早的存储介质：打孔纸卡打孔纸带

1. 美国空军SAGE计算机主程序有62500张打孔纸卡

2. 打孔纸卡便宜、耐用，但读取慢，且只能读取一次

2. 延迟线存储器

1. 装满液体的管道内一边放扬声器，一边放麦克风，并将两端连接起来通过扬声器每次发出的压力波来存储数据0/1，一个时刻存一位，所以也叫顺序存储器循环存储器。

2. EDVAC计算机中用到了128位延迟线存储器，一条存352位数据，总共存45000位

3. 仍然需要解决的问题

1. 内存密度

2. 随机存储

3. 磁致伸缩延迟存储器：通过金属线震动来代表数据

1. 增加了存储密度

4. 磁芯存储器：通过将慈心上缠绕电线。并施加电流，来存储数据

1. 可以通过磁芯排列网络来增加内存密度

2. 第一次大规模使用磁芯存储器：

1. 1953年 的Whirlwindl:一块上磁芯排列32x32，用了316块，存16000位

5. 磁带存储器

1. 需要使用到磁带存储器

2. 1951年设计的UNIVAC，推出了存储磁带，每英寸存128位，每卷1200英尺，存1500万位，相当于2MB左右

3. 问题：访问速度慢：访问数据需要前进或回退磁盘很多位。才能定位。

6. 磁鼓存储器

1. 一个高速运转的铁桶，每分钟上千转。

2. 1953年，可以存80000位(10KB)，1970年停产。

7. 硬盘

1. 1956年IBM第一台存储计算机 RAMAC 305，50张24英寸的磁盘存5MB左右

2. 寻道时间：磁盘访问一位数据的时间

3. 现代磁盘可以存100万MB数据，平均寻到时间低语1/100秒

8. 软盘：相较于磁盘是软的，已淘汰

9. 光学存储器

1. 1972年出现，12英寸激光盘

2. 通过凹槽光反射来存储0/1

3. 包括光盘CD和DVD

10. 机械硬盘（电磁存储）

11. 固态硬盘SSD（使用集成电路半导体存储），寻道速度为1/1000秒

1. 第一个RAM集成电路出现于1972

6. 文件系统（用于存储一整块文件）

1. 文件格式：按格式排列文件

1. 简单的文件格式列举

1. 文本文件（TXT）:

1. 用于文字数据

2. 使用ASCLL解码

2. 波形文件（WAV）：

1. 用于存储音频数据

2. 文件的文件头用来保存元数据（文件数据的数据）

1. 码率

2. 单声道、立体声道

3. 元数据之后的数据为

1. 每秒捕获多次的声音振幅

2. 振幅越大、声压越大、数字越大

3. 每秒可达上千次

3. 位图（bmp）

1. 用来存图片数据

2. 文件的文件头存放元数据：图宽、图高

3. 后面存储颜色深度（24位）

1. 8位RED(0-255)

2. 8位GREEN(0-255)

3. 8位BLUE(0-255)

2. 文件系统

1. 平面文件系统

1. 文件连续存储在内存块内

2. 目录文件，记录其他文件的目录，包括:

1. 文件名+.+扩展名

2. 创建时间

3. 最后修改时间

4. 文件所有者

5. 读写权限

6. 文件起始位置

7. 块地址

3. 当文件增加数据时，出现的溢出该如何解决

1. 在每块数据中预留数据

2. 拆分文件，存入多个块中

4. 文件删除：

1. 当删除文件，不需要删源文件，只需要删除目录信息

2. 新文件可直接覆盖数据

5. 碎片

1. 当文件进行增删改查之后，文件数据隔开，且每块的顺序也被打乱

2. 解决方法：

1. 碎片整理：将数据来回移动，排列出正确顺序

2. 分层文件系统

1. 出现契机：内存容量的发展以及数据暴增，存在一个目录，查找麻烦

2. 与平面文件系统的区别是，在目录文件的文件信息内加入了是否为目录文件

1. 用元数据分开文件和目录

2. 目录里还可以包括目录

7. 压缩(把数据占用空间尽可能压到最小，用更少的位表示数据)

1. 压缩方式

1. 无损压缩（基本采用两种方式：消除冗余和更紧凑的表示方式）

1. 行程编码

1. 给所有数据前都标上长度，多次重复的数据只保留一位即可

2. 字典编码：DFTBA

1. 用符号来表示数据

2. 用到哈夫曼树：

1. 1950年 大卫 哈夫曼 发明的高效编码方式

2. 通过列出数据出现频率，每轮列出两个最低频率，按频率排序

3. 例如 黑黄 出现一次 ，黑白  出现一次 ， 白黄 出现两次 黄黄出现四次

1. 按哈夫曼树排列

2. 最后压缩的结果为：字典加上数据对应符号

2. 有损压缩

1. 感知编码：依赖人类感知模型

1. 音频压缩：用不同精度编码不用频段

1. 删掉人类听不到的超声波等

2. 完整保留人类敏感的人声

2. 图片压缩：通过降低分辨率来压缩

1. 如使用8x8像素，将相似颜色统一成一个颜色

2. 经典格式：JPEG

3. 视频压缩：

1. 时间冗余：视频中不动的像素

2. 找出帧与帧之间的相似不定，用简单的效果来实现移动、旋转等效果

3. 经典格式：MPEG-4