计算机科学速成课笔记

计算机速成课个人理解概要

1.计算机的本质

计算机的本质：极其简单的组件，经过一层层复杂的抽象，做出复杂的工作

2.控制电流的技术发展

继电器→真空管→晶体管拥有了细微控制电流的手段

tip:早期机械计算机，被虫子(bug)卡住引发故障，故现代编程有debug之称

3.电流可以传递信号，通过电路逻辑门可以参与逻辑运算

二进制：通电1 断电0 防干扰，拥有数学布尔代数的现成优势

基于此引出基本的逻辑电路

抽象

特点

NOT 非门

真假反转

AND 与门

同真为真，一假即假

OR 或门

一真为真，同假为假

XOR 异或门

同假异真

可将逻辑门用符号简化，抽象使得工程师更加关注于整体而不必关心细节

4.信号可以存储信息

0 1 皆为1位 bit 8位为1字节 byte

数的存储

整数，一位符号位，其余皆数位

浮点数符号位指数位有效数位

ASCII Unicode

5.逻辑门可以抽象成算术逻辑单元

算术逻辑单元 ALU，Arithmetic&Logic Unit

由一个算数单元和一个逻辑单元组成

算数单元：

由基础的门组件抽象成半加器（只能用于一位运算），多个半加器抽象成一个全加器（可用于多位运算）

逻辑单元：

执行逻辑操作及数值验证操作

把算数逻辑单元再次进行抽象，用V表示

tips:算数单元处理位数有限，超过位数会溢出

6.逻辑门可以抽象成存储结构

使用逻辑门可抽象成锁存器（存储一位），多个并列的锁存器抽象成一个寄存器（可用于多位存储）

使用门锁矩阵有利于统筹管理，对访问和修改的权限进行限制

内存是由多个存储模块抽象出来的

7.逻辑门的抽象组合成更高的抽象：cpu

cpu负责执行程序，时钟精准地调控着CPU的运行节奏

cpu内部如果用一条线连接两个组件，这条线是所以必要线路的抽象

cpu工作过程主要有三步：取指令，解码，执行

8.强大而抽象的控制方式：指令与程序

指令集是指令的使用说明，不同指令具有不同简单的功能，多个指令组合成强大的程序，可以去处理复杂的任务。

9.现代CPU的性能性能提升

使用新的制造工艺

增加核心数

提高时钟频率

增加缓存容量

改进设计架构

10.早期的编程方式

纸带，插板，开关

11.编程语言的发展

机器码

汇编

低级语言

高级语言

12.语句与函数

语句：描述一种状态

函数：实现一种单一的功能

13.算法

算法是一种处理数据的手段，人们常常用它寻找最优解，针对算法的效率提出了时间复杂度和空间复杂度

14.数据结构

数据结构是一种组织数据的手段，针对不同的数据，不同的问题，具有不同的组织方式

15.图灵机

图灵机可以解决一切计算问题但不能解决一切问题，和图灵机一样完备叫作图灵完备，通过图灵测试则证明计算机达到了智能程度

16.软件工程

把相关函数打包成对象的思想叫作面向对象编程

通过程序编程接口API可以控制访问，选择性公布功能 public private

通过 ide, debug tools, git, qa, alpha等方式，保证软件的质量

17.集成电路与摩尔定律

从分立元件到集成电路ic 通过PCB印刷电路板实现

光刻技术的进步使得小型化成为现实

摩尔定律总结了性能和成本的规律但正在受到光波长，量子效应的挑战

18.操作系统

os也是一种程序，具有操作硬件的特殊权限，运行管理着其他的程序，充当着软硬件之间的桥梁

为程序分配运算资源，存储资源，保障程序安全有序地进行

为硬件提供 i/o接口，使之抽象成软件，进而对其进行操纵

19.存储技术的发展

技术创新使得存储的效率越来越高，考虑到整体的性价比，混合存储最为有利

20.文件系统

区分不同的文件格式，可以方便存取数据，支持特定应用

文件系统可以进行资源管理和保护数据

21.压缩

通过对于数据的压缩，我们可以存储更多数据和传输数据的速度也可以更快

主要分为无损和有损两大类,依据人类的感知而定

22.命令行界面

输入命令计算机会给予回应

23.屏幕与图像显示

随着物理的发展和人机交互的进一步需求出现了屏幕

进而催生了图像显示

24.政府和消费者促进计算机发展

政府巨额投资促进计算机科学的发展

消费者的选择决定计算机技术的表达形式

25.个人计算机革命

技术进步推动生产力的提升，计算机成为相对廉价的产品

26.图形化用户界面GUI

事件驱动编程，（函数指针）

所见即所得

27.3D图形

3D转化为2D在计算机上显示

28.计算机网络

每个计算机都有一个固定的MAC地址，用于计算机之间的通信识别，多个计算机可以组成一个局域网，局域网以上可能有更大的区域网络，从另一个有固定MAC的计算机获取数据时可能跳转多个层级局域网，而在经过传输媒介获取数据的过程中可能出现冲突，可以使用交换器将计算机分组避免，传输数据也可以将数据分组以使用数据包来运输

29.互联网

互联网是更大的计算机网络连接着更多的计算机，为了实现数据传输的要求，我们制定了诸多的协议，为了便于人类的检索习惯我们将域名和ip地址一一对应财采用树状检索，为了使通信变得高效我们抽象了OSI（开放式系统互联网通信参考模型），一共七个层级

30.万维网

万维网运行在互联网上，它的组成基本单位是网页，我们使用超链接进行网页之间的跳转，使用状态码标出网页的状态，每一个网页都有唯一的URL，使用http和html等便于我们传输网页数据和展示网页内容

万维网的诞生基础和万维网的检索方式，以及传输数据的公平性

31.计算机安全

核心是只有被授予权限的人才可以使用计算机

针对权限的人我们要具有验证的方式

针对计算机，我们要保证计算机本身的稳定性和数据的完整性

32.黑客与攻击

针对计算机安全进行破解，如漏洞的利用，身份的欺骗等，通常是为了谋取利益

33.加密