計算機科學基礎

Bits(位), Bytes(字節), 晶體管, 邏輯門, 操作系統, 虛擬現實, 機器人

通過一層層的抽象，來做出複雜操作。

最底層的1和0, 到邏輯門, CPU, 操作系統, 互聯網。

目的：
瞭解計算機在你的人生，以及社會中扮演什麼角色。
計算機是人類發展史上最偉大的發明，是怎麼開始的; 它對未來還會有更大印象。

Babbage工作室外面的街頭音樂家很吵，很影響他幹活。
Babbage於1871年去世，當時分析機還沒完成。
Carrie Anne 是追星族！
Lovelace寫的分析機筆記是第一個算法。
Ada Lovelace是第一位計算機程序員。
Charles"計算機之父"Babbage設計了第一個可編程計算機。

Tommy Flowers和他的團隊在11個月內做出"巨像1號"。
"巨像"計算機是第一個可編程電子數碼計算機，建造出來是爲了破解德國"洛倫茨"加密機。
圖靈的Bomba是電子機械密碼破解機，但不算第一臺計算機。

樹莓派是便宜的單板計算機，旨在推進計算機基礎學習。
Arduions用於快速製作嵌入式設備原型。
2016年7月， 7-11用Flitey無人機進行了美國第一次合法的無人機送貨。

計算機早期歷史

提到的設備：算盤 -> 步進計算器 -> 差分機 -> 分析機 -> 打孔卡片製表機

• 最早的計算設備是算盤。
• Computer從指代職業變成指代機器。
• 機器裏有名的是：步進計算器(類似汽車里程錶，不斷累加里程數)，第一個可以做加減乘除的機器。
• 炮彈爲了精準，要計算彈道，二戰時查表來做。但每次改設計了就需要做一張新表。（表是前人已經做好的）
• Charles Babbage提出了"差分機"（更復雜的機器，能近似多項式，多項式描述了幾個變量之間的關係），在構造差分機期間（項目以失敗告終），想出了分析機，分析機是通用計算機（不止是一種特定運算，甚至可以給它數據，然後按照順序執行一系列操作，它有內存。因爲先進，沒有造成功）。
• Lovelace給分析機寫了假想程序，因此成爲了第一位程序員（“未來會誕生一門全新的，強大的，專爲分析所用的語言”）。
• 人口普查10年一次，Herman Hollerith 的打孔片製表機大大提升了效率（目的是分配聯邦資金，國會代表，等等。）。1890年，人口普查要預計十三年時間來手工編制，等做完都過時。

Charles Babbage（計算機之父）說：“隨着知識的增長和新工具的誕生，人工勞力會越來越少”

打孔片製表機

• 用傳統機械來計數，結構類似萊布尼茨的乘法器，但用電動結構連接其它組件。
• 一種紙卡，上面有網格，用打孔來表示數據。
• 當卡插入Hollerith的機器時，小金屬針會到卡片上，如果有個地方打孔了，針會穿過孔，泡入一小瓶汞，聯通電路，電路會驅動電機。

計算機的價值：
可以提升勞動力以及數據密集型任務，來提升利潤。

滿足會計，保險評估和庫存管理等行業，Hollerith成立了製表機器公司，在1924年與其他機械製造商合併，成爲了“國際商業機器公司”（簡稱IBM）

電子計算機

提到的設備：繼電器 -> 真空管 -> 晶體管

• 20世紀的發展要求更強的計算能力。櫃子大小的計算機發展到房間大小。
• 哈佛 Mark1號，IBM 1944年做的。
• 繼電器一秒最多50次開關。
• 繼電器出bug（bug一詞的來源）。
• 1904年，熱電子管出現。第一個真空管，改進後變成和繼電器的功能一樣。
• “巨人1號”計算機在英國 布萊切利園 首次大規模使用真空管，但編程麻煩，還要配置。
• 1946年，賓夕法尼亞大學的ENIAC是第一個通用可編程計算機。
• 1947年，貝爾實驗室做出了，晶體管，晶體管有諸多好處，IBM 很快全面轉向晶體管。
• 硅谷的典故：很多晶體管和半導體的開發都是這裏做的。而生產半導體最常見的材料是硅。
• 肖克利半導體 -> 仙童半導體 -> 英特爾。

一戰，二戰（運輸能力），登陸其它星球計劃，產生的複雜度的增高導致數據量暴增，需要更多自動化，更強的計算能力。 櫃子大小的計算機變成房間大小。（缺點：維護費用高，而且容易出錯）

Mark1號

• 最大機電計算機之一。
• 它有76萬5千個組件，300萬個連接點和500英里（804.65公里）長的導線。
• 爲了保持內部機械裝置同步，它有一個50英尺的傳動軸，由一個5馬力的電機驅動。
• Mark1號大腦是繼電器（用電控制的機械開關）
• 1秒能夠做3次加法或減法運算。一次乘法要花6秒，除法要花15秒。比較複雜的操作，比如，三角函數，冪運算，可能要一分鐘以上或者更久。
• 齒輪磨損，任何會動的機械都會隨時間磨損。有些部件會完全損壞，有些則是變粘，變慢，變得不可靠，並且隨着繼電器數量的增加,故障概率也會增加。
• Mark1號大概有3500個繼電器。需要頻繁更換繼電器，有些運算需要好幾天。
• 黑色的，溫暖的機器也會吸引昆蟲。

Bug一詞來源：
1947年9月，哈佛Mark 2號的操作員從故障的繼電器中，拔出一隻死蟲。Grace Hopper曾說：“從那時起，每當電腦出現了問題，我們就說它出了bug（蟲子）”

繼電器

• 繼電器裏，有根“控制線路”，控制電路是開還是關，“控制線路”連着一個線圈，當電流流過線圈，線圈產生電磁場，吸引金屬臂，從而閉合電路。繼電器控制的電子。和開關水的水龍頭相似。
• 這個控制電路可以連接到其它電路，比如：馬達（作用：讓計數齒輪+1）。
• 缺點：繼電器內的機械臂“有質量”，因此無法快速開關。
• 在1940年代一個好的繼電器1秒能翻轉50次。但是不足以解決複雜的大問題。

缺點：速度慢，齒輪磨損，難以維護。

真空管

在1904年，英國物理學家“約翰 安布羅斯 弗萊明”開發了一種新的電子組件，叫“熱電子管”。把二個電極裝在一個氣密的玻璃燈泡裏，這是世界上第一個真空管。

• 其中一個電極可以加熱，從而發射電子，叫做“熱電子發射”
• 另外一個電極會吸引電子，形成“電龍頭”的電流。但只有帶正電才行，如果帶負電荷或中性電荷，電子就沒辦法被吸引，越過真空區域。因此沒有電流。
• 二極管：電流只能單向流動的電子部件叫做“二極管”。

需求是：一個能開關電流的東西。而二極管只能做到開。

在不久之後的1906年，美國“李 德福雷斯特”，在“弗萊明”設計的兩個電極之間，加入了第三個“控制”電極。

• 向“控制”電極施加正電荷，它會允許電子流動，但如果施加負電荷，它會阻止電子流動。
• 因此通過控制線路，可以斷開或閉合電路和繼電器的功能一樣。但重要的是，真空管內沒有會動的組件。
• 意味着損耗大大減低和每秒可以開閉數千次。
• 因此“三極真空管”成爲無線電，電話，以及其它電子設備的基礎。
• 計算機可能要上百個甚至上千個電氣開關，造價非常昂貴。

缺點：它們很脆弱，會燒壞。
意義：從機電轉向電子

第一次大規模使用真空管的計算機是“巨人1號”，由工程師Tommy Flowers設計, 完工與1943年12月。“巨人1號”在英國的“布萊切利園”，用於破解通信。“巨人1號”有1600個真空管，總共造了10臺巨人計算機，來幫助破解密碼。 “巨人1號”被認爲是第一個可編程的電子計算機。
編程方法是：把幾百根電線插入插板（類似老電話交換機），雖然“可編程”，但還是要配置它。

ENIAC：

電子數值積分計算機“ENIAC”，幾年後在1946年，在“賓夕法尼亞大學”完成建造。這是世上第一個真正的通用，可編程，電子計算機。

• 每秒可執行5000次十位數加減法。
• 真空管很多，所以故障很常見，運行半天左右就會出現一次故障

爲了降低成本和大小，同時提高可靠性和速度，需要一種新的電子開關。

晶體管

1947年，貝爾實驗室科學家發明了晶體管，一個全新的計算機時代誕生。

晶體管的物理學相當複雜，涉及到量子力學。

晶體管圖片：

• 它是一個開關，可以用控制電路來控制開或關。
• 晶體管有兩個電極，電極之間有一種材料隔開它們，這種材料有時候導電，有時候不導電，叫做：半導體。
• 控制線連到一個“門”電極，通過改變“門”的電荷，可以控制半導體材料的導電性，來允許或不允許電流流動。
• 貝爾實驗室的展示晶體管，每秒可以開關10000次。而且比玻璃製作，小心易碎的真空管。
• 晶體管是固態的
• 晶體管可以遠遠小於繼電器或真空管。
• 生產半導體最常見的材料是硅。

如今，計算機裏的晶體管小於50納米，而一張紙的厚度大概是10萬納米，晶體管不僅小，還超級快，每秒可以切換上百次，並且能工作十幾年。

布爾邏輯和邏輯門

• 什麼是二進制,爲什麼使用二進制，布爾邏輯。
• 3個基本操作： NOT， AND， OR。
• 解釋3個基本操作。
• XOR異或

開始抽象，不用管底層細節，把精力用來構建更復雜的系統。

二進制

計算機最早是機電設備，一般用十進制計數。比如：用齒輪數來代表十進制，再到晶體管計算機。

只用開/關兩種狀態也可以代表信息，叫做二進制。

爲什麼使用二進制：

1. 只需要表示true和false,兩個值就夠了。電路閉合，電流流過，代表"真"。二進制也可以寫成1和0,而不是true和false,只是不同的表達方式。
2. 晶體管的確可以確定不只是開/關，還可以讓不同大小的電流通過。
3. 只用“開”和“關”兩種狀態，減少難區分狀態的情況。早期的三進制，三種狀態，五進制，五種狀態。問題是，狀態越多，越難區分信號。干擾元素的存在，比如：手機快沒電了或者附近有點噪音，因爲有人在用微波爐，信號可能混在一起。而每秒百萬次變化的晶體管會讓這個問題變的更糟糕。所以把兩種信號儘可能分開。
4. 有一個整個數學分支存在，專門處理“真”和“假”，它已經解決了所有法則和運算，叫做布爾代數。

布爾，他有興趣用數學式子，擴展亞里士多德基於哲學的邏輯方法，布爾用 邏輯方程 系統而正式的證明真理（truth）。在“常規”代數裏，變量的值是數字，可以進行加法或乘法之類的操作，但在布爾代數中，變量的值是true和false能進行邏輯操作。

布爾代數中有三個基本操作：NOT，AND和OR

布爾邏輯

NOT：
NOT操作把布爾值反轉，把true進行NOT就會變成false,反之亦然。

晶體管可以很容易實現NOT操作，晶體管只是電控制的開關。
有3根線：2根電極和1根控制線。
控制線通電時，電流就可以從一個電極流到另一個電極。

1根控制線作爲INPUT, 2根電極作爲OUTPUT

可以把控制線，當作輸入(INPUT),底部的電極，當作輸出(OUTPUT)。所以1個晶體管，有一個輸入和一個輸出。

如果打開輸入（INPUT ON）輸出也會打開（OUTPUT ON）因爲電流可以流過。

如果關閉輸入（INPUT OFF）輸出也會關閉（OUTPUT OFF）因爲電流無法通過。

改造成NOT GATE：
與其把下面那根線當作輸出，可以把輸出放到上面。
如果打開輸入，電流可以流過然後“接地”；輸出就沒有電流，所以輸出是OFF。用水來舉例，就像家裏的水都從一個大管子留走了，打開淋浴頭一點水也沒有。所以是輸入是on，輸出是off。

如果當輸入是off，電流沒法接地，就流過了輸出, 所以輸入是off,輸出是on。

之所以叫做門，是因爲它能控制電流的路徑。

NOT GATE畫法：

三角形前面加一個圓點

AND：

AND操作有2個輸入，1個輸出。
如果2個輸入都是true,輸出纔是true

爲了實現AND GATE,需要2個晶體管連在一起。這樣有2個輸入和1個輸出。

如果只打開A，不打開B，電流無法流到OUTPUT,所以輸出是false。
如果只打開B，不打開A，也一樣，電流無法流到OUTPUT。
只有A和B都打開了，OUTPUT纔有電流。

AND GATE畫法：
用D表示

OR:
只要2個輸入裏，其中1個是true,輸出就是true。
只有2個輸入都是false，OR的結果纔是false。

實現OR GATE除了晶體管還要額外的線。不是串聯起來，而是並聯。
然後左邊這條線有電流輸入，用“小拱門”代表2條線沒有連接在一起，只是跨過而已。

如果A和B都是off,電流無法流過，所以輸出是off。
如果打開A，電流可以流過，輸出是on；如果只打開B也一樣。
如果A，B都on，結果是on。

A和B都是off的情況：

只打開A或者，只打開B的情況：

OR GATE畫法：
用太空船表示

XOR異或

XOR就像普通的OR，但有一個區別：
如果2個輸入都是true，XOR輸出false。
想要XOR輸出true，一個輸出必須是true，另外一個必須是false。

用晶體管實現XOR門：
使用OR GATE, AND GATE, NOT GATE3種門來做XOR。

1. 有2個輸入，A和B，還有1個輸出。
2. 先放一個OR門，因爲OR和XOR的邏輯表很像。
3. 只有1個問題，當A和B都是true時，OR的輸出和想要的XOR輸出不一樣，需要的是false，所以要加多個門。
4. 如果加一個AND門，輸入是true和false,輸出會是true，也不是所需要的，但如果在AND的輸出加個NOT就可以把true翻轉成false了。
5. 最後加一個AND門，然後AND門的2個輸入

分別來自NOT和最原始OR,AND會收到false和true，因爲AND需要兩個輸入都爲true,都結果纔是true所以輸出是false。

XOR畫法：

一個OR門 + 一個笑臉