计算机科学速成课【学习笔记】 2022.6.20完结

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前言

基础课当然是很重要的，所以学习一下。
参考笔记地址：https://shimo.im/docs/PJAUY30F1uYksv0h/read

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第一课、计算机早期历史

1、公元前 2500 年，算盘出现，为十进制，功能类似一个计数器。
2、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
3、公元 1613 年：computer 的概念出现，当时指的是专门做计算的职业，
4、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。
5、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。
6、1823 年：差分机的设想出现，可以做函数计算，但计划最后失败。
7、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。
8、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。

第二课、电子计算机的发展史

1、电子计算机元器件变化
继电器→真空管→晶体管 相当于开关，从机械式到真空电子管再到固体电子管

2、计算机的出现背景
20 世纪人口暴增，科学与工程进步迅速，航天计划成形。以上导致数据的复杂度急剧上升、计算量暴增，对于计算的自动化、高速有迫切的需求。

3、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。

第三课、布尔逻辑与逻辑门

计算机为什么使用二进制
1、计算机的元器件晶体管只有 2 种状态，通电（1）&断电（0），用二进制可直接根据元器件的状态来设计计算机。
2、而且，数学中的“布尔代数”分支，可以用 True 和 False（可用 1 代表 True，0 代表 False）进行逻辑运算，代替实数进行计算。
3、计算的状态越多，信号越容易混淆，影响计算。对于当时每秒运算百万次以上的晶体管，信号混淆是特别让人头疼的的。

用晶体管实现与或非、异或门

逻辑门的符号表示

抽象的好处
使得分工明确，不同职业的工程师各司其职,而不用担心其他细节。

第四课、二进制

1、二进制的原理，存储单元 MB/GB/TB 解释
1、计算机中的二进制表示：单个数字 1 或 0，1 位二进制数字命名为位(bit),也称 1 比特。

2、字节（byte）的概念：1byte=8bit，即 1byte 代表 8 位数字。最早期的电脑为八位的，即以八位为单位处理数据。为了方便，将八位数字命名为 1 字节（1byte）.

3、十进制与二进制的区别：十进制有 10 个数字，0-9，逢 10 进 1（不存在 10 这个数字），则每向左进一位，数字大 10 倍。二进制有 2 个数字，0-1，逢 2 进 1,（不存在 2 这个数字），则每向左进一位，数字大 2 倍。

4、byte 在电脑中的单位换算：
1kb=2^10bit = 1024byte =1000b
1TB=1000GB
1GB=十亿字节=1000MB=10^6KB

5、32 位与 64 位电脑的区别
32 位的最大数为 43 亿左右 32 位能表示的数字：0——2的32次方-1，一共2的32次方个数64 位的最大数为 9.2*10^18

2、美国信息交换标准代码-ASCⅡ，用来表示字符

3、UNICODE，统一所有字符编码的标准
1 诞生背景：1992 诞生，随着计算机在亚洲兴起，需要解决 ASCⅡ不够表达所有语言的问题。为提高代码的互用性，而诞生的编码标准。
2 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。

第五课：算术逻辑单元

1、什么是算术逻辑单元
1 命名：简称 ALU，Arithmetic&Logic Unit
2 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）
3 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。

2、算术单元
包含半加器、全加器，由与或非以及异或门组成。
算术单元组成了各种带有进位和错位的加法器。

3、溢出
在存储空间有限的存储器中，无法存储超过位数的数字，发生超过现象就叫做溢出。

4、逻辑单元
比如与门或门非门、异或门

5、ALU的抽象
ALU让工程师不在考虑具体的实现方式，只关注输入输出以及标志位，就像一个大写的V

第六课、寄存器和内存

1、内存
随机存取存储器RAM，又叫做内存，只能在通电的情况下使用，这就导致了在断电时文档和游戏数据的丢失。

2、概念
1、锁存器：由各种门电路组成的，能够存储一位二进制位的器件。
2、寄存器：一组锁存器组成的器件，能够存储多位二进制数。
3、矩阵：按照行和列排列组合锁存器，组成了 以位址 来搜索数据的 存储空间。
4、内存（RAM）：随机存取存储器，由一系列的矩阵以及电路组成的器件，可以根据地址来写入和读写。

第七课、中央处理器CPU

1、概念梳理
CPU：中央处理单元，负责处理程序。通常由ALU、寄存器、控制单元和时钟组成，与RAM搭配，执行计算机程序。CPU和RAM之间通常用地址线、数据线以及读写指令线进行通信。

取指令—>解码—>执行阶段

第九课、高级CPU设计

1、缓存
为了提升RAM给CPU送数据的效率，在CPU内部设置了一小块内存，让RAM可以一次性传输一堆数据到CPU中。
空等的原因：从RAM传输到CPU需要时间（数据要通过总线、RAM通过地址找数据、配置以及输出数据也需要时间）

2、缓存同步
当CPU的缓存数据已满时，如果CPU仍然需要往缓存输入，那么缓存中与RAM不一样的数据（脏位）会优先传输回RAM，以免被覆盖造成错误。

第十课、早期的编程方式

早期用纸带打孔的方式进行编程
现代计算机的基础结构：
冯诺依曼计算机：一个处理器（ALU组成）+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存+内存

第十一课、编程语言发展史

伪代码-----汇编语言-----高级编程语言

第十五课、阿兰图灵

图灵测试：机器人能够骗过人，无法分辨是否是计算机，则称计算机达到了智能程度。

第十六课、软件工程

1、API程序编程接口

2、集成开发环境IDE

3、调试DeBug

4、文档和注释

5、版本控制

6、beta版本
软件接近完成，但是还没有完全测试通过，让公众测试BUG的版本。

第十七课、集成电路和摩尔定律（硬件的发展）

1、集成电路和仙童半导体
集成电路：将多个组件封装成一个新的独立组件就叫做集成电路IC，仙童半导体公司让集成电路变成了现实，发明了印刷电路板PCB，通过刻蚀金属线的方式将零件连接到一起。

2、光刻工艺

3、摩尔定律
每过两年，相同大小的集成电路，晶体管的数量翻倍，

4、进一步小型化会遇到的问题
1、由于光的波长的限制，精度已经到达极限。
2、量子隧穿效应：当晶体管非常小的时候，电极之间可能只距离几个电子，电子会跳过间隙，产生漏电问题。

第十八课、操作系统

1、操作系统OS
操作系统也是一个程序，但是具有操作硬件的权限，以及能够运行和管理其它程序。

2、虚拟内存
为了解决一个程序所占内存可能不连续的问题，操作系统将内存地址虚拟化，将不连续的映射成连续的给用户。

第十九课、内存和存储介质

1、纸卡和纸带

2、磁芯、磁带、磁鼓、磁盘、软盘、光盘、固定硬盘SSD

第二十课

1、无损压缩和有损压缩JPEG格式

第二十二课、命令行界面

纸带打孔------命令行界面

第二十三课、屏幕和2D图形显示

1、屏幕
阴极管映射CRT------液晶显示器LCD-----光笔

第二十四课、冷战和消费主义

冷战和消费主义促进了集成电路的发展，带动了计算机的发展

第二十五课、个人计算机革命

图形用户界面GUI

3D图形

计算机网络

1、LAN局域网
2、MAC媒体访问地址

互联网

1、局域网LAN-----广域网WAN
2、IP-互联网协议
3、UDP-用户数据报协议
4、校验和
5、TCP - 传输控制协议
6、DNS - 域名系统

万维网

1、万维网在互联网上运行，它的基本单位是页面
2、点超链接可以去到另一个页面，文字超链接又叫超文本
3、URL - 统一资源定位器：网页的唯一网址
4、HTTP - 超文本传输协议
5、HTML - 超文本标记语言
6、网络中立性：平等地对待每个数据包

计算机安全

加密与解密

1、密钥交换

机器学习与人工智能

1、决策边界
2、混淆矩阵
3、决策树
4、支持向量机：本质上是用任意线段来切分决策空间，不一定是直线。
5、强AI和弱AI：通用的，和人一样智能的AI叫做强AI，目前没有人能做到。

计算机视觉

1、核、过滤器：用来检测垂直边缘的算法的数学符号
2、卷积

自然语言处理NLP

识别人说的话，原理是快速傅里叶变换

机器人

计算机心理学

计算机教育

奇点、天网