第一课:计算机早期历史
0.课程目标:从高层次总结一系列计算机话题，快速入门计算机科学。
1.计算机技术的影响-进入信息时代
2.计算机的本质:
关于计算的历史：
第二课:电子计算机发展史
1.电子计算机元件变化:
2.计算机背景:
电子计算机的发展：
第三课:布尔逻辑与逻辑门
为什么计算机使用二进制：
2、布尔代数&在计算机中实现布尔代数
1）NOT操作：
2）AND操作
3）OR操作
3.特殊逻辑操作-异或
4.逻辑门的符号表示
5.抽象的好处
第四课：二进制
1.二进制原理，存储单元MB/GB/TB解释
2.正示正数、负数、正数和浮点
3.美国信息交换标准代码-ASCⅡ，用来表示字符
4、UNICODE，统一所有字符编码的标准
第五课:算术逻辑单元:
1.算术逻辑单元是什么？
2、算术单元
三、溢出概念
4、逻辑单元
5、ALU的抽象
第六课 寄存器和内存
0、课程导入
1、概念梳理
2、锁存器
2.5、门锁：
3、寄存器
4、门锁矩阵
5、内存
第七课 中央处理器（CPU）
1、概念梳理
2、CPU工作原理
1)必要组件：
2）过程
3）图示：
第八课 指令和程序
1、概念梳理
2.执行指令
3.计算机指令长度
第九课 高级CPU设计
0、概念梳理
1、现代CPU如何提高性能：
2、缓存：
3.缓存同步:
4.指令流水线：
5.一次性处理多个指令
6.同时运行多个指令流(多核)CPU）
7、超级计算机（多个CPU）
第十课 早期编程方法
1.如何在早期阶段进入计算机？
2.早期计算机编程
3.现代计算机基础设施-冯诺依曼计算机
第十一课 编程语言发展史
0、概念梳理
1.早期二进制码
2、汇编器&助记符
3.最早的高级编程语言A-0”
4.开始广泛使用高级编程语言FORTRAN
一般编程语言——COBOL
6.现代编程语言:1960s-2000
*7、安全漏洞&补丁由来：
第一课:计算机早期历史
0.课程目标:从高层次总结一系列计算机话题，快速入门计算机科学。
1.计算机技术的影响-进入信息时代
- 自动化农业设备和医疗设备
- 全球通信和全球教育机会变得普遍
- 意想不到的虚拟现实/无人驾驶/人工智能等新领域
2.计算机的本质:
极其简单的组件，通过层层抽象，做出复杂的操作。
计算机中的很多东西，底层其实都很简单，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。
3、关于计算的历史：
- 公元前2500年，算盘出现，为十进制，功能类似一个计数器。
- 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
- 公元1613年：computer的概念出现，当时指的是专门做计算的职业，
- 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。
- 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。
- 1823年：差分机的设想出现，可以做函数计算，但计划最后失败。
- 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。
- 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：
2、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。
3、电子计算机的发展：
1945年 哈佛马克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。
*最早还因为有虫子飞进去导致故障，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，为第一台通用计算机。
1947年 晶体管出现，使用的是固态的半导体材料，相对真空管更可靠。
1950s 空军ANFSQ-7： 真空管到达计算极限。
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：
- 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。
- 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。
- 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
- 变量：没有常数，仅True和False这两个变量。
- 三个基本操作：
- NOT/AND/OR。
1）NOT操作：
1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。
2）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。
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。
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）。
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。
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
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=1*2^0 + 1*2^1 + 0*2^2 + 1*2^3= 11（从右往左数）
eg.十进制的1045= 1*10^3 + 0*10^2 + 4*10^1 + 5*10^0
3十进制与二进制的图示：
十进制的263
二进制的10110111
4二进制的运算：
相同的位数相加，逢2进1
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
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。
4图示：
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。
第五课：算术逻辑单元
1、什么是算术逻辑单元
1命名：简称ALU，Arithmetic&Logic Unit
2组成：ALU有2个单元，1个算术单元和1个逻辑单元（Arithmetic Unit和Logic Unit）
3作用：计算机中负责运算的组件，处理数字/逻辑运算的最基本单元。
2、算术单元
1）基本组件：
- 由半加器、全加器组成
- 半加器、全加器由AND、OR、NOT、XOR门组成
2）加法运算
1组件：AND、OR、NOT、XOR门
2元素：输入A，输入B，输出（均为1个bit，即0或1）
3半加器：
- 作用：用于计算个位的数字加减。
- 输入：A，B
- 输出：总和，进位
- 抽象：
4全加器：
作用：用于计算超过1位的加法，由于涉及进位，因此有3个输入（C充当进位）。
原理图示：
3）如何用半加器与全加器做8位数的加法
1说明：以8位行波加法器为例
- 用半加器处理第1位数（个位）的加法，得到的和为结果的第1位。
- 将输出的进位，输入到第2位用的全加器的输入C中。
- 将第2位的2个数用全加器计算，得到的和为结果的第2位（sum）。
- 将第2位计算的进位连接到百位的全加器输入C中。
- 在第3-8位上，循环第3-4步的操作。
*现在电脑使用的加法器叫“超前进位加法器”
4）算术单元支持的其他运算
3、溢出的概念
内容：在有限的空间内，无法存储位数过大的数，则称为溢出。
说明：第8位的进位如果为1，则无法存储，此时容易引发错误，所以应该尽量避免溢出。
4、逻辑单元
作用：执行逻辑操作，如NOT、AND、OR等操作，以及做简单的数值测试。
5、ALU的抽象
1）作用：ALU的抽象让工程师不再考虑逻辑门层面的组成，简化工作。
2）图示：
像一个大“V”。
3）说明：
图示内容包括：
- 输入A，B
- 输出
- 标志：溢出、零、负数
第六课 寄存器与内存
0、课程导入
当玩游戏、写文档时如果断电，进度会丢失，这是为什么？
- 原因是这是电脑使用的是RAM（随机存取存储器），俗称内存，内存只能在通电情况下存储数据。
- 本节课程将讲述内存的工作原理。
1、概念梳理
锁存器：锁存器是利用AND、OR、NOT逻辑门，实现存储1位数字的器件。
寄存器：1组并排的锁存器
矩阵：以矩阵的方式来存放锁存器的组合件，n*n门锁矩阵可存放n^2个锁存器，但同一时间只能写入/读取1个数字。（早期为16*16矩阵）
位址：锁存器在矩阵中的行数与列数。eg.12行 8列
多路复用器：一组电线，输入2进制的行址&列址，可启用矩阵中某个锁存器
内存（RAM）：随机存取存储器，由一系列矩阵以及电路组成的器件，可根据地址来写入、读取数据。类似于人类的短期记忆，记录当前在做什么事情。
2、锁存器
作用：存储1位数字。
图示：
2.5、门锁：
锁存器需要同时输入2个数字，不太方便。
为了使用更方便，只用1根电线控制数据输入，发展了门锁这个器件。另外，用另一根电线来控制整个结构的开关。（和复位作用不同）
3、寄存器
作用：并排使用门锁，存储多位数字
图示：
4、门锁矩阵
作用：
n*n的矩阵有n^2个位址，则可以存储n^2个数。但1个矩阵只可记录1位数字，n个矩阵组合在一起，才可记录n位数。如1个8位数，会按位数分成8个数，分别存储在8个矩阵的同一个位址中。
8个矩阵，则可以记录256个8位数字。
通俗理解：
16*16的门锁矩阵，可理解为1个公寓，1个公寓256个房间。
8个门锁矩阵并排放，则有了8个公寓。
规定每一个公寓同一个编号的房间，都有一样的标记（地址），共同组成8位数字。
那么8个公寓就能存 （8*256 / 8）个数字。
原因：
16*16的门锁矩阵虽然有256个位置，但每次只能存/取其中1个位置的数字。因此，要表示8位数字，就需要同时调用8个门锁矩阵。
图示：
使用方法：在多路复用器中输入位址，x行x列（2进制），即可点亮x行x列的锁存器。
举例：
| 行列数 |
矩阵1 |
矩阵2 |
矩阵3 |
矩阵4 |
矩阵5 |
矩阵6 |
矩阵7 |
矩阵8 |
| 1行5列 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
| 2行3列 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
5、内存
粗略定义：将一堆独立的存储模块和电路看做1个单元，组成内存方块，n个内存方块组成内存模块。在一个电路板上所有的内存方块统称为内存(RAM)。
图示：
第七课 中央处理器（CPU）
1、概念梳理
- CPU（Central Processing Unit）：中央处理单元，负责执行程序。通常由寄存器/控制单元/ALU/时钟组成。与RAM配合，执行计算机程序。CPU和RAM之间用“地址线”、“数据线”和“允许读/写线”进行通信。
- 指令：指示计算机要做什么，多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令。
- 时钟：负责管理CPU运行的节奏，以精确地间隔，触发电信号，控制单元用这个信号，推动CPU的内部操作。
- 时钟速度：CPU执行“取指令→解码→执行”中每一步的速度叫做“时钟速度”，单位赫兹Hz，表示频率。
- 超频/降频：
- 超频，修改时钟速度，加快CPU的速度，超频过多会让CPU过热或产生乱码。
- 降频，降低时钟速度，达到省电的效果，对笔记本/手机很重要。
- 微体系框架：以高层次视角看计算机，如当我们用一条线链接2个组件时，这条线只是所有必须线路的抽象。
2、CPU工作原理
1）必要组件：
- 指令表：给CPU支持的所有指令分配ID
- 控制单元：像指挥部，有序的控制指令的读取、运行与写入。
- 指令地址寄存器：类似于银行取号。该器件只按顺序通报地址，让RAM按顺序将指令交给指令寄存器。
- 指令寄存器：存储具体的指令代码。
2）过程
- 取指令：指令地址寄存器发地址给RAM→RAM发该地址内的数据给指令寄存器→指令寄存器接受数据
- 解码：指令寄存器根据数据发送指令给控制单元 →控制单元解码（逻辑门确认操作码）
- 执行阶段：控制单元执行指令(→涉及计算时→调用所需寄存器→传输入&操作码给ALU执行）→调用RAM特定地址的数据→RAM将结果传入寄存器→指令地址寄存器+1
3）图示：
第一个CPU
第八课 指令和程序
1、概念梳理
- 指令：指示计算机要做什么的代码（机器码），多条指令共同组成程序。如数学指令，内存指令。
- 注:指令和数据都是存在同一个内存里的。
- 指令集：记录指令名称、用法、操作码以及所需RAM地址位数的表格。
程序
2、指令的执行
- 原则：
- RAM每一个地址中，都存放0或1个数据。
- 特定的数字组合，就表示为一个指令，否则表示一个值。
- LOAD指令：
- 计算机会按地址的顺序，读取RAM中所记录的指令/数据。
- 计算机接受到指令后，如LOAD_A，则通过数据线将数据传至寄存器A。
- ADD指令：
- ADD B A指令告诉ALU，把寄存器B和寄存器中的数字加起来，存到寄存器A中。
- JUMP指令：
- 遇到JUMP指令，程序会跳转至对应的RAM地址读取数据。
- JUMP指令可以有条件跳转（如JUMP-negative），也可以无条件跳转。
3、计算机指令长度
由于早期计算机每个字只有8位，指令只占4位，意味着只能有16个指令，这远远不够。
现代计算机有两种方式解决指令不够用的问题：
最直接的是用更多位来表示指令，如32位或64位。
采用“可变指令长度”，令不同的指令的长度不同，尽量节约位数。
假设1个字为16位，如果某指令不需要操作内存，则可以省去寻址的位数。
该情况下，部分指令后面需要跟数据，如JUMP，称为立即值。
第九课 高级CPU设计
0、概念梳理
- 缓存：在CPU中的小块RAM，用于存储批量指令。
- 缓存命中：想要的数据已经在缓存里
- 缓存未命中：想要的数据不在缓存里
- 脏位：缓存里每块空间，有个特殊标记，叫脏位，用于检测缓存内的数据是否与RAM一致。
- 多核处理器：一个CPU芯片中，有多个独立处理单元。
1、现代CPU如何提升性能：
早期通过加快晶体管速度，来提升CPU速度。但很快该方法到达了极限。
后来给CPU设计了专门除法电路+其他电路来做复杂操作：如游戏，视频解码
2、缓存：
为了不让CPU空等数据，在CPU内部设置了一小块内存，称为缓存，让RAM可以一次传输一批数据到CPU中。（不加缓存，CPU没位置放大量数据）
缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算。
空等原因：从RAM到CPU的数据传输有延迟（要通过总线，RAM还要时间找地址、取数据、配置、输出数据）。
3、缓存同步：
缓存同步一般发生在CPU缓存已满，但CPU仍需往缓存内输入数据。此时，被标记为脏位的数据会优先传输回RAM,腾出位置以防被覆盖，导致计算结果有误。
4、指令流水线：
作用：让取址→解码→执行三个步骤同时进行。并行执行指令，提升CPU性能。
原本需要3个时钟周期执行1个指令，现在只需要1个时钟周期。
设计难点：数据具有依赖性。
数据依赖性解决方法：
动态排序、乱序运行、预测分支（高端CPU）
5、一次性处理多条指令
6、同时运行多个指令流（多核CPU）
多核处理器：一个CPU芯片中，有多个独立处理单元。但因为它们整合紧密，可以共享一些资源。
7、超级计算机（多个CPU）
在一台计算机中，用无数个CPU，做怪兽级的复杂运算，如模拟宇宙形成。
第十课 早期的编程方式
1、早期，程序如何进入计算机
程序必须人为地输入计算机。早期，电脑无内存的概念，人们通过打孔纸卡等物理手段，输入数据（数字），进入计算机。
2、早期计算机的编程
- 打孔纸卡/纸带：在纸卡上打孔，用读卡器读取连通电路，进行编程。原因，穿孔纸卡便宜、可靠也易懂。62500张纸卡=5MB数据
- 插线板：通过插拔线路的方式，改变器件之间的连接方式，进行编程。
- 面板拨开关（1980s前）：通过拨动面板上的开关，进行编程。输入二进制操作码，按存储按钮，推进至下一个内存位，直至操作完内存，按运行键执行程序。（内存式电脑）
3、现代计算机基础结构——冯诺依曼计算机
冯诺依曼计算机的标志是，一个处理器(有算术逻辑单元)+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+内存
第十一课 编程语言发展史
0、概念梳理
伪代码：用自然语言（中文、英语等）对程序的高层次描述，称为“伪代码”
汇编器：用于将汇编语言装换成机器语言。一条汇编语句对应一条机器指令。
助记符（汇编器）：
软件
1、早期二进制写代码
先前都是硬件层面的编程，硬件编程非常麻烦，所以程序员想要一种更通用的编程方法，就是软件。
早期，人们先在纸上写伪代码，用"操作码表"把伪代码转成二进制机器码，翻译完成后，程序可以喂入计算机并运行。
2、汇编器&助记符
背景：1940~1950s，程序员开发出一种新语言， 更可读 更高层次。每个操作码分配一个简单名字，叫"助记符"。但计算机不能读懂“助记符”，因此人们写了二进制程序“汇编器来帮忙”
作用：汇编器读取用"汇编语言"写的程序，然后转成"机器码"。
3、最早高级编程语言“A-0”
汇编只是修饰了一下机器码，一般来说，一条汇编指令对应一条机器指令，所以汇编码和底层硬件的连接很紧密，汇编器仍然强迫程序员思考底层逻辑。
1950s，为释放超算潜力，葛丽丝·霍普博士，设计了一个高级编程语言，叫 "Arithmetic Language Version 0"，一行高级编程语言 可以转成几十条二进制指令。但由于当时人们认为，计算机只能做计算，而不能做程序，A-0未被广泛使用。
过程：高级编程语言→编译器→汇编码/机器码
4、开始广泛应用的高级编程语言FORTRAN
1957年由IBM1957年发布，平均来说，FORTRAN 写的程序，比等同的手写汇编代码短 20 倍， FORTRAN 编译器会把代码转成机器码。
5、通用编程语言——COBOL
1959年，研发可以在不同机器上通用编程语言。
最后研发出一门高级语言："普通面向商业语言"，简称 COBOL
每个计算架构需要一个 COBOL 编译器，不管是什么电脑都可以运行相同的代码，得到相同结果。
6、现代编程语言:1960s-2000
1960s起，编程语言设计进入黄金时代。
1960 ：LGOL, LISP 和 BASIC 等语言
70年代有：Pascal，C 和 Smalltalk
80年代有：C++，Objective-C 和 Perl
90年代有：Python，Ruby 和 Java
*7、安全漏洞&补丁由来：
在1940年代，是用打孔纸带进行的，但程序出现了问题（也就是漏洞），为了节约时间，只能贴上胶带也就是打补丁来填补空隙，漏洞和补丁因此得名。