计算机科学基础_0 - 逻辑门

Bits(位), Bytes(字节), 晶体管, 逻辑门, 操作系统, 虚拟现实, 机器人

通过一层层的抽象，来做出复杂操作。

最底层的1和0, 到逻辑门, CPU, 操作系统, 互联网。

目的：
了解计算机在你的人生，以及社会中扮演什么角色。
计算机是人类发展史上最伟大的发明，是怎么开始的; 它对未来还会有更大印象。

Babbage工作室外面的街头音乐家很吵，很影响他干活。
Babbage于1871年去世，当时分析机还没完成。
Carrie Anne 是追星族！
Lovelace写的分析机笔记是第一个算法。
Ada Lovelace是第一位计算机程序员。
Charles"计算机之父"Babbage设计了第一个可编程计算机。

Tommy Flowers和他的团队在11个月内做出"巨像1号"。
"巨像"计算机是第一个可编程电子数码计算机，建造出来是为了破解德国"洛伦茨"加密机。
图灵的Bomba是电子机械密码破解机，但不算第一台计算机。

树莓派是便宜的单板计算机，旨在推进计算机基础学习。
Arduions用于快速制作嵌入式设备原型。
2016年7月， 7-11用Flitey无人机进行了美国第一次合法的无人机送货。

计算机早期历史

提到的设备：算盘 -> 步进计算器 -> 差分机 -> 分析机 -> 打孔卡片制表机

• 最早的计算设备是算盘。
• Computer从指代职业变成指代机器。
• 机器里有名的是：步进计算器(类似汽车里程表，不断累加里程数)，第一个可以做加减乘除的机器。
• 炮弹为了精准，要计算弹道，二战时查表来做。但每次改设计了就需要做一张新表。（表是前人已经做好的）
• Charles Babbage提出了"差分机"（更复杂的机器，能近似多项式，多项式描述了几个变量之间的关系），在构造差分机期间（项目以失败告终），想出了分析机，分析机是通用计算机（不止是一种特定运算，甚至可以给它数据，然后按照顺序执行一系列操作，它有内存。因为先进，没有造成功）。
• Lovelace给分析机写了假想程序，因此成为了第一位程序员（“未来会诞生一门全新的，强大的，专为分析所用的语言”）。
• 人口普查10年一次，Herman Hollerith 的打孔片制表机大大提升了效率（目的是分配联邦资金，国会代表，等等。）。1890年，人口普查要预计十三年时间来手工编制，等做完都过时。

Charles Babbage（计算机之父）说：“随着知识的增长和新工具的诞生，人工劳力会越来越少”

打孔片制表机

• 用传统机械来计数，结构类似莱布尼茨的乘法器，但用电动结构连接其它组件。
• 一种纸卡，上面有网格，用打孔来表示数据。
• 当卡插入Hollerith的机器时，小金属针会到卡片上，如果有个地方打孔了，针会穿过孔，泡入一小瓶汞，联通电路，电路会驱动电机。

计算机的价值：
可以提升劳动力以及数据密集型任务，来提升利润。

满足会计，保险评估和库存管理等行业，Hollerith成立了制表机器公司，在1924年与其他机械制造商合并，成为了“国际商业机器公司”（简称IBM）

电子计算机

提到的设备：继电器 -> 真空管 -> 晶体管

• 20世纪的发展要求更强的计算能力。柜子大小的计算机发展到房间大小。
• 哈佛 Mark1号，IBM 1944年做的。
• 继电器一秒最多50次开关。
• 继电器出bug（bug一词的来源）。
• 1904年，热电子管出现。第一个真空管，改进后变成和继电器的功能一样。
• “巨人1号”计算机在英国 布莱切利园 首次大规模使用真空管，但编程麻烦，还要配置。
• 1946年，宾夕法尼亚大学的ENIAC是第一个通用可编程计算机。
• 1947年，贝尔实验室做出了，晶体管，晶体管有诸多好处，IBM 很快全面转向晶体管。
• 硅谷的典故：很多晶体管和半导体的开发都是这里做的。而生产半导体最常见的材料是硅。
• 肖克利半导体 -> 仙童半导体 -> 英特尔。

一战，二战（运输能力），登陆其它星球计划，产生的复杂度的增高导致数据量暴增，需要更多自动化，更强的计算能力。 柜子大小的计算机变成房间大小。（缺点：维护费用高，而且容易出错）

Mark1号

• 最大机电计算机之一。
• 它有76万5千个组件，300万个连接点和500英里（804.65公里）长的导线。
• 为了保持内部机械装置同步，它有一个50英尺的传动轴，由一个5马力的电机驱动。
• Mark1号大脑是继电器（用电控制的机械开关）
• 1秒能够做3次加法或减法运算。一次乘法要花6秒，除法要花15秒。比较复杂的操作，比如，三角函数，幂运算，可能要一分钟以上或者更久。
• 齿轮磨损，任何会动的机械都会随时间磨损。有些部件会完全损坏，有些则是变粘，变慢，变得不可靠，并且随着继电器数量的增加,故障概率也会增加。
• Mark1号大概有3500个继电器。需要频繁更换继电器，有些运算需要好几天。
• 黑色的，温暖的机器也会吸引昆虫。

Bug一词来源：
1947年9月，哈佛Mark 2号的操作员从故障的继电器中，拔出一只死虫。Grace Hopper曾说：“从那时起，每当电脑出现了问题，我们就说它出了bug（虫子）”

继电器

• 继电器里，有根“控制线路”，控制电路是开还是关，“控制线路”连着一个线圈，当电流流过线圈，线圈产生电磁场，吸引金属臂，从而闭合电路。继电器控制的电子。和开关水的水龙头相似。
• 这个控制电路可以连接到其它电路，比如：马达（作用：让计数齿轮+1）。
• 缺点：继电器内的机械臂“有质量”，因此无法快速开关。
• 在1940年代一个好的继电器1秒能翻转50次。但是不足以解决复杂的大问题。

缺点：速度慢，齿轮磨损，难以维护。

真空管

在1904年，英国物理学家“约翰 安布罗斯 弗莱明”开发了一种新的电子组件，叫“热电子管”。把二个电极装在一个气密的玻璃灯泡里，这是世界上第一个真空管。

• 其中一个电极可以加热，从而发射电子，叫做“热电子发射”
• 另外一个电极会吸引电子，形成“电龙头”的电流。但只有带正电才行，如果带负电荷或中性电荷，电子就没办法被吸引，越过真空区域。因此没有电流。
• 二极管：电流只能单向流动的电子部件叫做“二极管”。

需求是：一个能开关电流的东西。而二极管只能做到开。

在不久之后的1906年，美国“李 德福雷斯特”，在“弗莱明”设计的两个电极之间，加入了第三个“控制”电极。

• 向“控制”电极施加正电荷，它会允许电子流动，但如果施加负电荷，它会阻止电子流动。
• 因此通过控制线路，可以断开或闭合电路和继电器的功能一样。但重要的是，真空管内没有会动的组件。
• 意味着损耗大大减低和每秒可以开闭数千次。
• 因此“三极真空管”成为无线电，电话，以及其它电子设备的基础。
• 计算机可能要上百个甚至上千个电气开关，造价非常昂贵。

缺点：它们很脆弱，会烧坏。
意义：从机电转向电子

第一次大规模使用真空管的计算机是“巨人1号”，由工程师Tommy Flowers设计, 完工与1943年12月。“巨人1号”在英国的“布莱切利园”，用于破解通信。“巨人1号”有1600个真空管，总共造了10台巨人计算机，来帮助破解密码。 “巨人1号”被认为是第一个可编程的电子计算机。
编程方法是：把几百根电线插入插板（类似老电话交换机），虽然“可编程”，但还是要配置它。

ENIAC：

电子数值积分计算机“ENIAC”，几年后在1946年，在“宾夕法尼亚大学”完成建造。这是世上第一个真正的通用，可编程，电子计算机。

• 每秒可执行5000次十位数加减法。
• 真空管很多，所以故障很常见，运行半天左右就会出现一次故障

为了降低成本和大小，同时提高可靠性和速度，需要一种新的电子开关。

晶体管

1947年，贝尔实验室科学家发明了晶体管，一个全新的计算机时代诞生。

晶体管的物理学相当复杂，涉及到量子力学。

晶体管图片：

• 它是一个开关，可以用控制电路来控制开或关。
• 晶体管有两个电极，电极之间有一种材料隔开它们，这种材料有时候导电，有时候不导电，叫做：半导体。
• 控制线连到一个“门”电极，通过改变“门”的电荷，可以控制半导体材料的导电性，来允许或不允许电流流动。
• 贝尔实验室的展示晶体管，每秒可以开关10000次。而且比玻璃制作，小心易碎的真空管。
• 晶体管是固态的
• 晶体管可以远远小于继电器或真空管。
• 生产半导体最常见的材料是硅。

如今，计算机里的晶体管小于50纳米，而一张纸的厚度大概是10万纳米，晶体管不仅小，还超级快，每秒可以切换上百次，并且能工作十几年。

布尔逻辑和逻辑门

• 什么是二进制,为什么使用二进制，布尔逻辑。
• 3个基本操作： NOT， AND， OR。
• 解释3个基本操作。
• XOR异或

开始抽象，不用管底层细节，把精力用来构建更复杂的系统。

二进制

计算机最早是机电设备，一般用十进制计数。比如：用齿轮数来代表十进制，再到晶体管计算机。

只用开/关两种状态也可以代表信息，叫做二进制。

为什么使用二进制：

1. 只需要表示true和false,两个值就够了。电路闭合，电流流过，代表"真"。二进制也可以写成1和0,而不是true和false,只是不同的表达方式。
2. 晶体管的确可以确定不只是开/关，还可以让不同大小的电流通过。
3. 只用“开”和“关”两种状态，减少难区分状态的情况。早期的三进制，三种状态，五进制，五种状态。问题是，状态越多，越难区分信号。干扰元素的存在，比如：手机快没电了或者附近有点噪音，因为有人在用微波炉，信号可能混在一起。而每秒百万次变化的晶体管会让这个问题变的更糟糕。所以把两种信号尽可能分开。
4. 有一个整个数学分支存在，专门处理“真”和“假”，它已经解决了所有法则和运算，叫做布尔代数。

布尔，他有兴趣用数学式子，扩展亚里士多德基于哲学的逻辑方法，布尔用 逻辑方程 系统而正式的证明真理（truth）。在“常规”代数里，变量的值是数字，可以进行加法或乘法之类的操作，但在布尔代数中，变量的值是true和false能进行逻辑操作。

布尔代数中有三个基本操作：NOT，AND和OR

布尔逻辑

NOT：
NOT操作把布尔值反转，把true进行NOT就会变成false,反之亦然。

晶体管可以很容易实现NOT操作，晶体管只是电控制的开关。
有3根线：2根电极和1根控制线。
控制线通电时，电流就可以从一个电极流到另一个电极。

1根控制线作为INPUT, 2根电极作为OUTPUT

可以把控制线，当作输入(INPUT),底部的电极，当作输出(OUTPUT)。所以1个晶体管，有一个输入和一个输出。

如果打开输入（INPUT ON）输出也会打开（OUTPUT ON）因为电流可以流过。

如果关闭输入（INPUT OFF）输出也会关闭（OUTPUT OFF）因为电流无法通过。

改造成NOT GATE：
与其把下面那根线当作输出，可以把输出放到上面。
如果打开输入，电流可以流过然后“接地”；输出就没有电流，所以输出是OFF。用水来举例，就像家里的水都从一个大管子留走了，打开淋浴头一点水也没有。所以是输入是on，输出是off。

如果当输入是off，电流没法接地，就流过了输出, 所以输入是off,输出是on。

之所以叫做门，是因为它能控制电流的路径。

NOT GATE画法：

三角形前面加一个圆点

AND：

AND操作有2个输入，1个输出。
如果2个输入都是true,输出才是true

为了实现AND GATE,需要2个晶体管连在一起。这样有2个输入和1个输出。

如果只打开A，不打开B，电流无法流到OUTPUT,所以输出是false。
如果只打开B，不打开A，也一样，电流无法流到OUTPUT。
只有A和B都打开了，OUTPUT才有电流。

AND GATE画法：
用D表示

OR:
只要2个输入里，其中1个是true,输出就是true。
只有2个输入都是false，OR的结果才是false。

实现OR GATE除了晶体管还要额外的线。不是串联起来，而是并联。
然后左边这条线有电流输入，用“小拱门”代表2条线没有连接在一起，只是跨过而已。

如果A和B都是off,电流无法流过，所以输出是off。
如果打开A，电流可以流过，输出是on；如果只打开B也一样。
如果A，B都on，结果是on。

A和B都是off的情况：

只打开A或者，只打开B的情况：

OR GATE画法：
用太空船表示

XOR异或

XOR就像普通的OR，但有一个区别：
如果2个输入都是true，XOR输出false。
想要XOR输出true，一个输出必须是true，另外一个必须是false。

用晶体管实现XOR门：
使用OR GATE, AND GATE, NOT GATE3种门来做XOR。

1. 有2个输入，A和B，还有1个输出。
2. 先放一个OR门，因为OR和XOR的逻辑表很像。
3. 只有1个问题，当A和B都是true时，OR的输出和想要的XOR输出不一样，需要的是false，所以要加多个门。
4. 如果加一个AND门，输入是true和false,输出会是true，也不是所需要的，但如果在AND的输出加个NOT就可以把true翻转成false了。
5. 最后加一个AND门，然后AND门的2个输入

分别来自NOT和最原始OR,AND会收到false和true，因为AND需要两个输入都为true,都结果才是true所以输出是false。

XOR画法：

一个OR门 + 一个笑脸