第一章 计算机概述（一）——计算机发展历程与基础表示

第二章 计算机概述(2)-构建CPU

第三章 计算机概述(3)-编程介绍

第四章 计算机概述(4)-计算机的快速发展

学习计算机概述，目前参考资料来源于计算机科学速成课（https://www.bilibili.com/video/BV1EW411u7th?p=3)以后逐步补充更新。 编程：使用计算机解决问题。 主要依靠内部程序运行CPU与内存，程序如何进入内存是本章的主要内容。 本章主要将程序如何进入计算机。

1. 摩尔定律的概念：每两年，IC同样大小的空间可以插入两倍数量的晶体管。（说明晶体管较小，移动电荷越少，切换状态越快，功耗越少；电路更紧凑，信号延迟更低，时钟更快） 1980年 一个IC可装3万晶体管 1990年 一个IC可安装100万晶体管 2000年 一个IC可安装3000万晶体管 2010年 一个IC可安装10亿个晶体管 光刻机的分辨率为1万纳米(头发直径的十分之一) 14纳米(比红细胞小400倍)
2. 摩尔定律的结束：随着技术的瓶颈，硬件开发面临两个大问题： (1)用光掩模将图案放在晶圆上，目前光的波长和精度已达到极限-方法:开发波长较短的光源。 (2)当晶体管很小时，电极之间可能只有几个原子，电子会跳过间隙，称为量子隧道贯穿，可能导致原本不导电的晶体管导电(漏电)。

早期：1940~1950年，计算机每次只能运行一个程序(在打孔纸上编写程序，操作员将程序放入计算机(需要等待计算机空闲时间) 缺点： 1、手动将程序放入计算机效率低，随着计算机运行速度越来越快，手动放程序的时间比程序运行时间还长。 计算机每次只能运行一个程序。 解决方案：操作系统

操作系统是一个程序，但具有操作硬件的特殊权限，可以操作和管理其他程序。它通常是第一个启动程序，所有其他程序都由操作系统启动。

操作系统进化史：

对问题：手动放入程序效率低。 方法：将多个程序更改为一次。计算机运行一个程序后，下一个程序将自动运行（因为程序通常按顺序执行）。

针对问题:共享软件时，外部设备配置不一致算机的外部设备配置不一致。 方法：操作系统充当软硬件API抽象硬件。程序员通过标准化机制输入输出硬件（I/O)交互。

针对问题:计算机速度加快，处理器经常闲置，因为需要等待外部设备运行。 为了最大限度地利用计算机，在单个计算机中CPU通过调度运行多个程序。如果正在运行的程序在等待I/O设备一个程序之前，设备可以将程序放置在休眠状态，以操作其他程序I/O设备返回完成信号。 1>问题：当处理多个任务时，每个程序都会占用一些内存，当切换到另一个程序时，不能丢失数据——将独家内存块分配给每个程序。 2>问题：当程序要求更多内存时，如何处理操作系统。 方法：一是构建虚拟内存。操作系统将程序分配到非连续地址中，但程序员很难跟踪。——假设内存总是从地址0开始，方便程序员处理，实际物理位置被操作系统隐藏和抽象。二是动态内存分配（Dynamic Memory Allocation)，在虚拟内存小在虚拟内存框架下灵活增减，操作系统自动处理虚拟内存地址增减后的映射。 好处： (1)简化地址，为操作系统同时运行多个程序提供服务极大的灵活性； （2）给程序分配专用的内存范围，隔离了内存——内存保护（Memory Protection）。这样一个程序出错不会影响到其他程序，对于防止恶意软件也有用.

针对问题：早期，操作系统将许多功能全部集中于自身，导致操作系统庞大，特别是早期内存较小的时候。 像Unix一样，将操作系统分为两个部分，一是内存管理，多任务和输出/输出处理 称为内核 ；二是一堆有用的工具，但不是内核的一部分（比如程序和运行库）。这样的设计，使得操作系统能够在更便宜更多的硬件上运行。但紧凑的内核意味着功能没那么全面——一旦发生错误，就让内核“恐慌”，机器崩溃，重启电脑。

存储器与内存的区别： 一般内存是非永久性的，用于暂时存储计算机运行数据，的具有“易失性”。 存储器是非易失性的，断电也不会丢失，用于存放计算机程序、数据。 早期易失性的速度快，非易失性的速度慢，但随着快速发展，两者间的差异越来越小。

存储器的发展历程： 存储器根据存取方式分为顺序存储器或循环存储器（需要找到前一个数据才能找到该数据）、随机存储器（可直接查询到该数据）两类。 一般为了快速查询并存取数据，现代计算机一般用随机存储器。（追求速度快、容量大、存取、变更数据灵活）

优点：不用电、便宜耐用。 缺点：读取慢、只能写入一次；对于存储临时变量不灵活（打掉的孔只能用胶布手动补）。 1958年，用62500个纸卡表示一个主程序，大小5MB左右。

基本原理：一条柔性长条磁性带子卷在轴上，可在“磁带驱动器”（Tape Drive）内前后移动。磁带驱动器中通过“写头”改变磁带上一小部分的磁性（电流方向决定极性，代表1和0），再通过“读头”非极性地检测出极性。 优点：磁带便宜又小。 缺点：磁带驱动器很贵，访问速度慢（顺序存储器的通病），因磁带连续，需要倒带或快进到达特定位置。 1951年，UNIVAC计算机，用了半英寸宽，8条并行磁带，磁带每英寸可存128位数据，每卷1200英尺长，即可存1500万位左右，约1.8MB。

基本原理：用一个金属圆筒，盖满磁性材料记录数据，圆筒旋转，用多个读头数据。（圆筒每分钟上千转） 1953年，可买到存80000位的“磁鼓存储器”，约10KB。

基本原理：由磁芯和电线组成，利用电流的磁效应，将磁芯磁化。正反通电，磁芯的极性不同，由此表示1和0。（右手定则判断N极，磁场方向是由N极到S极） 一个圆环表示一位，为了随时能取出想要的数据，将圆环网格排列，有电线负责选行和列。 1953年，16个32*32列的磁芯，可存16384位，为2KB。

基本原理：与磁鼓存储器相似，只是用盘代替圆筒。 优点：薄，并且可以叠在一起，以提供更多表面积来存数据。 RAMAC 305计算机，50张24英寸直径的磁盘，总共能存5MB左右，访问任意数据，平均只要六分之一秒左右（称为寻道时间Seek Time）。 现代常见硬盘已能容纳1TB数据，平均寻道时间低于1/100秒。

除了磁盘是软的，其他的基本一样。 优点：便于携带。 流行于1970~1990年，但很快就被淘汰了，因为寿命短、读取速度慢等原因。

现代朝着没有机械运动的部件——固态（Solid State）进军，如硬盘 U盘。机械硬盘逐渐被固态硬盘代替(SSD )。 基本原理：将磁存储改为集成电路存储。 访问时间低于1/1000秒，但还是比RAM慢很多倍，所以现代计算机仍然使用存储层次结构。

文件：一整块有关系的数据。在计算机底层中都是一长串的二进制数。 文件的基本结构是元数据+所要存储的实际数据。 文件系统：对文件进行管理，使得我们不用关心文件具体的存储位置，整理和访问文件更加方便。

元数据（meta data），其实就是该文件的基本信息，存在文件开头，在实际数据前面，因此也叫文件头（Header）。

1. 平面文件系统 （1）早期，存储器容量不大、文件不多，数据一般是顺序存储在存储器中，通过目录文件（Directory FIle）分辨各个文件，称为平面文件系统。 缺点：如果需要增加某一文件大小，会覆盖其他文件的部分数据。 （2）改良 对存储器容量进行分块，每一个分块对应一个文件，每一个块都预留有空间，便于文件进行删增改查操作，如果文件大小大于一个块的大小，则会再给改文件分配一个块，然后在目录文件中记录该文件所含块数。

Tips: 1、目录文件，主要是为了在众多文件中搜寻到某一文件，因此所含信息主要是位置信息等。 如果要添加文件、删除文件、更改文件名等，就必须更新目录文件。 2、 想要删除文件，并不需要将该文件在内存中的所有数据删去，只需要在目录文件中删除记录即可，这意味着计算机认为该空间已经变成可用空间了，可以被新数据覆盖。 好处：（1）便于操作；（2）文件实际数据未删除，有恢复数据的可能。 3、正是因为分块会预留空间，因此文件的占用空间始终要大于文件大小。 4、文件的碎片化（Fragmentation）：因为分层文件系统，文件经常处于多个分块中，相互隔开，顺序随机。碎片是增删改文件导致的，无法避免。 缺点：对于顺序存储器来说，碎片会加重查找文件的困难度，降低访问速度。 解决办法：碎片整理（Defragmentation），即计算机将数据来回移动，使得同一个文件的数据按照正确顺序排列。

2. 分层文件系统 随着存储器容量变大、文件数量增多，所有文件都像平面文件系统那样处在同一层不便于管理，因此采用了分层文件系统，即文件夹模式。 原理：目录文件添加文件是否是目录的信息，文件最顶层的文件夹为根目录，其下的每一个子文件夹都含有一个与根目录格式一样的目录文件。

tips:

常见文件格式：

1. 文本文件，又称TXT文件(.TXT)，本质是—长串二进制数，通过ASCII解码。

2. 波形（Wave）文件（.WAV），存音频数据。原理是声音幅度数字化后，存储该数字。

3. 位图（Bitmap）（.bmp），存图片。图片由像素组成，位图文件存储的就是每一个像素RGB值。

压缩：将数据占用空间压得更小。 作用：存储文件更多，传输速度更快。 压缩方法：一是减少重复信息；二是用更紧凑的表示方法。 压缩种类：无损压缩技术（压缩不丢失任何数据）和有损压缩技术（压缩会丢失部分数据）

1. 游程编码（Run-length Encoding） 适用范围：连续相同数据较多的文件 基本原理：将连续的相同数据压缩成数据数量和单体数据内容构成。eg：7个白色像素点共21字节，经过游程编码后，压缩为一个数量字节7和一个白色像素点，即4个字节。

2. 字典编码 适用范围：相同数据较多、分布相对分散的文件。 基本原理：建立一个字典，将重复的数据用字典中的代码表示。如6个字节的“皮大侠”，改由一个字节的“A”来表示。 详细实现：霍夫曼树（Huffman Tree）构造字典。以图像为例，不再将图像看成一个个像素，而是将图像看做一块块，即将多个像素当做一个块。 （1）分块：将两个像素当做一个块（6个字节），这样只有四对数据，白黄（WY）、黑黄（BY）、黄黄（YY）、白白（WW），并统计出现频率（2WY、1BY、4YY、1WW）。 （2）构建霍夫曼树：每轮将两个频率最低的块组成一个树，直至树上包含所有数据。 （3）按照霍夫曼树最顶端到最低端以二进制的形式编号，以此组成字典。这样频率最高数据的二进制代号最短，频率最低的二进制代号最长，极大地压缩了文件。 （4）根据字典代号压缩文件。

压缩掉人类看不出区别的数据。

1. 感知编码（Perceptual Coding) 基本原理：用不同编码处理不同种类的数据。eg：对声音信号进行压缩，可以删除人听不到的那部分声音，如超声波等，而人能听到的部分不进行处理。 典型代表（MP3、JPEG）

2. 时间冗余（Temporal Redundancy) 基本原理：（1）视频中，不用每一帧都存放所有的像素，还是只存放发生改变了的像素。（2）找出帧与帧之间相似的块，然后通过位置变换得到下一帧（比如平移、旋转、缩小、变暗）

屏幕显示图形主要分为两步：一是从内存中读取图形数据；二是根据图形数据在屏幕上显示图形。

1. 从内存中读取图形数据 从内存中读取数据依靠与外部设备——显卡。显卡中存储着将内存中的数据转化后的图像。当从内存中专门保留图形数据的区域——屏幕缓冲区取得数据后，显卡将其转化为屏幕可显示的图形用于屏幕显示。发展历史如下： （1）字符生成器（Character Generator）——第一代显卡 基本原理：内部有一小块ROM，存着每个字符的图形（点阵图形Dot Matrix Pattern）。若字符生成器从内存读来的数据通过ASCII解码后发现是K，则会在屏幕上显示由点构成的K图形。 缺点：由于只存储字符，很多任意形状都无法显示 （2）为了绘制任意形状，同时又不使用所有内存——矢量模式 基本原理：用线条表示所有图形。任何图形都可以用很短的直线构成，只需通过电子束的移动指令即可完成。这些指令存储在内存中，通过矢量图形卡读取并显示在屏幕上，类似于数控机床。（通过不断更新内存中的线条指令，就可以在屏幕上显示动画） （3）位图显示（Bitmapped Displays) 内存中的存储位置——帧缓冲区（Frame Buffer） 将屏幕用像素点来表示，每一个像素点都可以代表一定的位数（黑白为1字节，彩色为3字节以上） （图形数据早期存在内存中，后来存在高速视频内存中VRAM，VRAM在显卡上）
2. 屏幕显示技术 （1）阴极射线管（Cathode Ray Tubes，CRT) 基本原理：把电子发射到有磷光体涂层的屏幕上，当电子撞击屏幕时，撞击点会发出只存在十几分之一秒的亮光。 由于电子是带电粒子，其路径是可以通过磁场控制的，因此存在两种扫描模式 一是矢量扫描（Vector Scanning)：通过偏转板，引导电子束运动出想要的图形； 二是光栅扫描（Raster Scanning)：逐行扫描，遇到图形点则打开电子束。 （2）液晶显示器（Liquid Crystal Displays，LCD）——像素法 基本原理：将屏幕用一个个像素（pixel）来表示，用光栅扫描的方式，每次更新每个小像素点中的RGB值。 （由于像素法占据内存较多，早期暂时无法使用；早期存储的是符号）

计算机屏幕始终是2D平面，如何显示3D图形？

3D投影：将3D点（X，Y，Z）显示到2D屏幕上的算法。 投影方式：正交投影（Orthographic Projection）、透视投影（Perspective Projection） （线框渲染（Wireframe Rendering）：用2D线段连接3D点）

简单的3D图形可以用线段来表示，复杂的图形最好用多个三角形来构建（因为3点能够确定一个平面，2点只能确定线段，4个及以上点不能唯一确定一个平面） 一堆多边形的集合成为网格（mesh），网格约密、表面越光滑、细节越多、计算量越大。 扫描填充——抗锯齿——明暗处理——纹理处理

1. 扫描填充 经典算法——扫描线渲染（Scanline Rendering） （1）读取三角形的三个顶点，确定三角形Y值最大和最小的点。在这两点之间进行扫描。 （2）逐行扫描。逐行扫描得到与三角形边线相交的像素点。 （3）用颜色填满两个相交点之间的像素点。