Crash Course Computer Science【计算机科学速成课】(1)

感谢速成课！感谢 Carrie Anne！感谢中文翻译组！~

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Crash Course Computer Science
https://github.com/1c7/crash-course-computer-science-chinese

第 1 集：计算机早期历史

• 算盘 → 步进计算器 → 差分机 → 分析机 → 打孔卡片制表机

1. 最早的计算设备是算盘，大约公元前 2500 年发明于”美索不达米亚”.
2. 在接下来 4000 年，人类发明了各种巧妙的计算设备 比如星盘，让船只可以在海上计算纬度 或计算尺，帮助计算乘法和除法.
3. 最早使用 “计算机” 一词的文献是1613 年的一本书，作者 Richard Braithwait 然而指的不是机器，而是一种职业，指负责计算的人.
4. 1800 年后Computer逐渐开始从指代职业变成指代机器.
5. 机器里有名的是：步进计算器,第一个可以做加减乘除的机器,沿用了 3 个世纪.
6. 炮弹为了精准，要计算弹道，二战是查表来做，但每次改设计了就需要做一张新表.
7. Charles Babbage 提出了 “差分机“, 一个更复杂的机器，能近似多项式，在构造差分机期间，想出了分析机, 分析机是通用计算机 ,它可以做很多事情,不只是一种特定运算.
8. Ada Lovelace 给分析机写了假想程序，因此成为了第一位程序员
9. 美国政府在 1890 年的人口普查中面临着严重的问题,预计要 13 年完成,Herman Hollerith 的打孔卡片制表机大大提升了效率,使人口普查在短短两年半内完成.
10. Hollerith 成立了制表机器公司,这家公司后来在 1924 年与其它机械制造商合并成为了 “国际商业机器公司“，简称 IBM.

第 2 集：电子计算机

• 继电器 → 真空管 → 晶体管

1. 20世纪的发展要求更强的计算能力,柜子大小的计算机发展到房间大小 ,最大的机电计算机之一是哈佛 Mark 1 号,IBM 1944 年做的,大脑是”继电器“,给”曼哈顿计划”跑模拟.
2. 1940 年代一个好的继电器 1 秒能翻转 50 次,哈佛马克一号1 秒能做 3 次加法或减法运算,一次乘法要花 6 秒，除法要花 15 秒
3. 除了速度慢，另一个限制是齿轮磨损,随着继电器数量增加，故障概率也会增加,同时这些巨大，黑色，温暖的机器也会吸引昆虫,1947年9月，哈佛马克2型的操作员从故障继电器中，拔出一只死虫这就是术语 “bug“（虫子）的来源.
4. 1904 年，热电子管出现，世界上第一个真空管。改进为三极真空管后变成和继电器的功能一样,并且真空管内没有会动的组件,更少的磨损,每秒可以开闭数千次.
5. “巨人1号” 计算机在英国,布莱切利园,首次大规模使用真空管,用于破解纳粹通信,被认为是第一个可编程的电子计算机但编程麻烦，还要配置.
6. 1946 年，宾夕法尼亚大学的 ENIAC 是第一个通用可编程计算机,每秒可执行 5000 次十位数加减法.
7. 1947 年，贝尔实验室做出了晶体管，晶体管有诸多好处,每秒可以切换上百万次，并且能工作几十年,IBM 很快全面转向晶体管
8. 很多晶体管和半导体的开发在”圣克拉拉谷”,在加州位于”旧金山”和”圣荷西”之间,而生产半导体最常见的材料是硅,所以这个地区被称为 “硅谷“
9. William Shockley 搬了过去，创立了肖克利半导体 → 仙童半导体 → 英特尔

第 3 集：布尔逻辑和逻辑门

1. 3个基本操作：NOT，AND，OR以及XOR 异或，异为真，同为假
   

第 4 集：二进制

1. 8 位能表示的最小数是 0，最大数是 255,1 bytes = 8 bits 存储单位MB GB TB 等,32 位能表示的最大数是 43 亿左右,64 位能表达最大数大约是 9.2×10 ^ 18,
2. Instagram 照片很清晰,它们有上百万种颜色,因为如今都用 32 位颜色
3. 大部分计算机用第一位表示正负,1 是负，0 是正,最常见的是 IEEE 754 标准表示浮点数，在 32 位浮点数中第 1 位表示数的符号——正或负，接下来 8 位存指数，剩下 23 位存有效位数
4. 美国信息交换标准代码 - ASCII, 用来表示字符
   
5. UNICODE 1992 年诞生，是字符编码标准， 解决 ASCII 不够表达所有语言的问题,最常见的 Unicode 是 16 位的，有超过一百万个位置

第 5 集：算数逻辑单元 - ALU

1. ALU 算术逻辑单元，有 2 个单元，1 个算术单元和 1 个逻辑单元

2. 算术单元，负责计算机里的所有数字操作

   • 半加器 (处理1个 bit，2个输入) 输出”总和”和”进位”
     
   • 全加器 (处理1个 bit，3个输入)
     

3. 8 bit 加法 (1个半加器，7个全加器）

   • 把这个全加器的进位连到下个全加器的输入，8位行波进位加法器
     
   • 如果第 9 位有进位，代表着 2 个数字的和太大了，超过了 8 位这叫 “溢出“ (overflow)。著名的例子是，吃豆人用 8 位存当前关卡数，如果你玩到了第 256 关（ 8 位 bit 最大表示 255），ALU 会溢出，造成一连串错误和乱码，使得该关卡无法进行，这个 bug 成了厉害吃豆人玩家的代表
   • 缺点是每次进位都要一点时间但如今的量级是每秒几十亿次运算，所以会造成影响，所以，现代计算机用的加法电路有点不同，叫 “超前进位加法器”
   • 乘法用多次加法来实现，除法用迭代减法实现

4. 逻辑单元

   • 能做简单的数值测试，检测数字是否为 0 的电路（一堆 OR 门最后加个 NOT 门）

5. 工程师不想在用 ALU 时去想那些事情,ALU抽象成一个 V 符号

6. ALU 还会输出一堆Flag 标志（是否相等，是否小于，是否溢出等等）

第 6 集：寄存器和内存

本集重点是 Memory （存储 / 内存 两种含义）

1. “随机存取存储器“，简称”RAM“，在断电时损失数据
2. 存 1 位 “AND-OR 锁存器“(Gated Latch - 锁存器）
   • 它有两个输入，”设置”输入, 把输出变成 1，”复位”输入, 把输出变成 0 ，如果”设置”和”复位”都是 0，电路会输出最后放入的内容
     
   • 一根线来”启用”内存，这条线叫 “允许写入线”
     
3. 存 8 位 (Register - 寄存器)
   • 如果我们并排放 8 个锁存器，可以存 8 位信息，比如一个 8 bit 数字，一组这样的锁存器叫 “寄存器”，寄存器能存一个数字，这个数字有多少位，叫”位宽”，如今许多计算机都有 64 位宽的寄存器
     
   • 为了减少线的数量，在矩阵中做成网格，要启用某个锁存器，就打开相应的行线和列线，只有行线和列线均为1， AND 门才输出 1
4. 16x16 的矩阵存 256 位，数据选择器/多路复用器 (Multiplexer) 解码 8 位地址，定位到单个锁存器，输入一个 8 位地址，4 位代表行， 4 位代表列
5. 不断把内存打包到更大规模，随着内存地址增多，内存地址也必须增长，内存的一个重要特性是：可以随时访问任何位置，因此叫 “随机存取存储器” ，简称 RAM

第 7 集：中央处理器（CPU)

1. RAM + 寄存器 + ALU 做个 CPU
   • 一个寄存器追踪程序运行到哪里了，我们叫它 “指令地址寄存器”，存当前指令的内存地址
   • 另一个寄存器存当前指令，叫 “指令寄存器”
2. 进行”取指令→解码→执行“ 这个循环
3. 时钟以精确的间隔 触发电信号控制单元会用这个信号，推进 CPU 的内部操作，确保一切按步骤进行，CPU “取指令→解码→执行” 的速度叫 “时钟速度“, 单位是赫兹
   • 第一个单芯片 CPU 是 “英特尔 4004” 1971 年发布的 4 位CPU，时钟速度达到了 740 千赫兹 - 每秒 74 万次
   • 一兆赫兹是 1 秒 1 百万个时钟周期，而看视频的电脑或手机，肯定有几千兆赫兹
4. 超频，修改时钟速度，加快 CPU 的速度，提升性能,但超频太多会让 CPU 过热或产生乱码，因为信号跟不上时钟，而降频省电，这叫 “动态调整频率“

第 8 集：指令和程序

本集重点：一步步带你运行一遍程序

1. ”指令集”
   • LOAD_A，LOAD_B，SUB，JUMP，ADD，HALT 等指令
     
   • JUMP 0 可以跳回开头，JUMP 在底层的实现方式是用指令后 4 位的值覆盖掉 “指令地址寄存器” 里的值
   • 带条件跳转，JUMP NEGATIVE 只在 ALU 的 “负数标志” 为真时，即算术结果是负数才跳转，还有其他类型的 JUMP
   • 真正现代 CPU 用更多指令集，位数更长。
2. 1971年的英特尔 4004 处理器，有 46 个指令，如今英特尔酷睿 i7, 有上千条指令

第 9 集：高级 CPU 设计

1. 早期是加快晶体管切换速度，来提升 CPU 速度，但这种提速方法最终会碰到瓶颈，处理器厂商发明各种新技术来提升性能，不但让简单指令运行更快也让它能进行更复杂的运算
   • 现代处理器有专门电路来处理图形操作, 解码压缩视频, 加密文档 等等，给 CPU 专门的除法电路 + 其他电路来做复杂操作，比如游戏，视频解码
2. 一条”从内存读数据”的指令可能要多个时钟周期，CPU 空等数据，解决延迟的方法之一是给 CPU 加缓存，提高数据存取速度，更快喂给 CPU
3. 缓存和 RAM 不一致了，这种不一致必须记录下来，之后要同步，因此缓存里每块空间有一个特殊标记叫脏位 Dirty bit
4. 另一种提升性能的方法叫流水线设计,并行处理 - parallelize,更进一步，动态排序有依赖关系的指令,最小化流水线的停工时间,乱序执行 - out-of-order execution
5. 简单的流水线处理器，看到 JUMP 指令会停一会儿,等待条件值确定下来,一旦 JUMP 的结果出了，处理器就继续流水线,因为空等会造成延迟，所以高端处理器会用一些技巧
   • 可以把 JUMP 想成是 “岔路口”，高端 CPU 会猜哪条路的可能性大一些,然后提前把指令放进流水线，这叫 “推测执行“
   • 当 JUMP 的结果出了，如果 CPU 猜对了,流水线已经塞满正确指令，可以马上运行,如果 CPU 猜错了，就要清空流水线,为了尽可能减少清空流水线的次数，CPU 厂商开发了复杂的方法来猜测哪条分支更有可能，叫”分支预测“
   • 现代 CPU 的正确率超过 90%
6. 另一个提升性能的方法是同时运行多个指令流用多核处理器,如双核或四核处理器意思是一个 CPU 芯片里，有多个独立处理单元，很像是有多个独立 CPU，但因为它们整合紧密，可以共享一些资源，比如缓存，使得多核可以合作运算，但多核不够时，可以用多个 CPU，高端计算机，比如Youtube 服务器需要更多马力，让上百人能同时流畅观看，2个或4个CPU是最常见的，但有时人们有更高的性能要求所以造了超级计算机！

第 10 集：早期的编程方式

1. 早期计算机如何编程
   • 打孔纸卡 → 插线板 → 面板拨开关
2. 程序和数据都存在一个地方，叫冯诺依曼架构 Von Neumann Architecture
3. 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（负责存数据和指令)
4. 第一款取得商业成功的家用计算机: Altair 8800 ，编程依然很困难，人们需要更友好更简单的方式编程