第一课：计算机早期历史

1、计算机技术的影响——进入信息时代

  • 出现自动化农业设备与医疗设备
  • 全球通信和全球教育机会变得普遍
  • 出现意想不到的虚拟现实/无人驾驶/人工智能等新领域

2、计算机的实质：

极其简单的组件，通过一层层的抽象，来做出复杂的操作。

计算机中的很多东西，底层其实都很简单，让人难以理解的，是一层层精妙的抽象。像一个越来越小的俄罗斯套娃。

随着知识的增长和新工具的诞生，人工劳力会越来越少

3、关于计算的历史：

  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

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。

电子计算机的发展

1945年，哈弗马克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。

最早因为有虫子飞进继电器，导致故障，从而引申出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：第一个电子数值积分计算机，第一个真正的通用，可编程，电子计算机

1950年 空军ABFSQ-7真空管计算机都达到了极限.

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

1、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。

2、布尔代数&布尔代数在计算机中的实现

  1. 变量：没有常数，仅 True 和 False 这两个变量。
  2. 三个基本操作：NOT/AND/OR。
  3. 为什么称之为“门”：控制电流流过的路径

NOT 操作

命名：称为 NOT 门/非门。

2 作用：将输入布尔值反转。输入的 True 或 False，输出为 False 或 True。

3 晶体管的实现方式：

  • 半导体通电 True，则线路接地，无输出电流，为 False。

  • 半导体不通电 False，则输出电流从右边输出，为 True

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）AND 操作

1 命名：AND 门/与门

2 作用：由 2 个输入控制输出，仅当 2 个输入 input1 和 input2 都为 True 时，输出才为 True，2 个输入的其余情况，输出均为 False。*可以理解为，2 句话（输入）完全没有假的，整件事（输出）才是真的。

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3 用晶体管实现的方式：

串联两个晶体管，仅当 2 个晶体管都通电，输出才有电流（True）

3）OR 操作

1 命名：OR 门/或门

2 作用：由 2 个输入控制输出，只要其中一个输入为 True，则输出 True。

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3 用晶体管实现的方式：

使用 2 个晶体管，将它们并联到电路中，只要有一个晶体管通电，则输出有电流（True）。

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3、特殊的逻辑运算——异或

1 命名：XOR 门/异或门

2 作用：2 个输入控制一个输出。当 2 个输入均为 True 时，输出 False，其余情况与 OR 门相同。

3 图示：

先用一个 OR 门，将其与 AND 门并联，AND 门与 NOT 门串联，最后让 NOT 与 AND 门并联，获得输出。

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个人理解：or与xor相似，为了实现他的特点，需要其将与and共同连接同一个门，两个输入为true，or返回true，and返回true，将and与not连，反串，共同连接在and上，实现xor

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思考为什么不用or，代替第一个and，因为这样虽然满足第一行xor的特点，却不能满足其他的

4、逻辑门的符号表示

1 作用：将逻辑门简化，将逻辑门用于构建更大的组件，而不至于太复杂。

2 图示：

  • 非门：用三角形+圆圈表示

  • 与门：用 D 型图案表示

  • 或门：用类似 D 向右弯曲的图案表示

  • 异或门：用或门+一个圆弧表示

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5、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

0 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。

1 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）.

2 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。

2 如何进行二进制与十进制联系起来：

  • 将十进制与二进制的位数提取出来，编上单位：

eg.二进制的 1011=12^0 + 12^1 + 02^2 + 12^3= 11（从右往左数）

eg.十进制的 1045= 110^3 + 010^2 + 410^1 + 510^0

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4 二进制的运算：

相同的位数相加，逢 2 进 1

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5 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

6 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、正数、负数、正数、浮点数的表示

1）计算机中表示数字的方法

1 整数：

表示方法:

  • 第 1 位：表示正负 1 是负，0 是正（补码）

  • 其余 31 位/63 位： 表示实数

2 浮点数（Floating Point Numbers）：

定义：小数点可在数字间浮动的数（非整数）

表示方法：IEEE 754 标准下

用类似科学计数法的方式，存储十进制数值

  • 浮点数=有效位数*指数

  • 32 位数字中：第 1 位表示正负，第 2-9 位存指数。剩下 23 位存有效位数

eg.625.9=0.6259（有效位数）*10^3（指数）

3、美国信息交换标准代码-ASCⅡ，用来表示字符

1 全称：美国信息交换标准代码

2 作用：用数字给英文字母及符号编号

3 内容：7 位代码，可存放 128 个不同的值。

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4、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。