《穿越计算机迷雾》笔记

原子=质子+电子，原子之间的电子活跃产生电流，非活跃产生电阻。

 

电流，导体，非导体。用开关控制通电和无电状态表示1和0。

 

利用电阻和电流发明电灯。

 

利用电流和二进制简化加法器的实现。全加法器和半加法器。

 

电能生磁。通电的线缠绕在导体上，使导体具有磁性，成为电磁铁。

 

磁能生电。在磁场附近运动的导线能产生电流。

 

电流由于传输的损耗变为热能。

 

控制通电或者不通电或者通电的时间长短+续电器实现远距离通电+匀速运动的纸张+协议，实现电报。

 

将声音抽象为震动的频率，将这种频率转换为磁场的变化，及电流的强弱变化，再将电流的变化转成磁场，使弹簧运动产生震动，实现电话。

 

交流电能使用变压器进行变压，所以使用交流电变为高压电远距离传输民用供电。电压越高损耗越小。

 

电流集聚变化时，会发出电磁波。电磁波的发现，使用电磁波可能能实现无线通信。

 

逻辑学用符号表示，用0和1表示真和假事件。用符号表示非、与、或、异或。

 

逻辑电路：用电源开关和电生磁续电器表示非门、与门、或门、异或门。

 

使用逻辑电路实现加法器的内部原理。加减乘除法四则运算的逻辑电路实现。

 

振荡器（脉冲）的电路实现（反馈、矛盾的非门）。低频率的振荡器。

 

电子二级管的发明，真空中的高温负极向正极发射电子使电路接通。

电子三极管的发明，利用通电金属网在二级管中间控制电子的流量。可以进行电信号的放大和缩小，并实现极高频率的震荡器。开启电磁波通信时代。

电路实现触发器，触发器能够保存一个bit。

当S和R都打开时，两个灯泡一个亮另一个不亮，并保持不变。初始时不确定谁亮。

S(set)闭合R打开时Q亮(true)，，R(reset)闭合S打开时Q不亮(false)。Q'与Q相反，通常不关心Q'。

R和S同时关上后都不亮。

使触发器的输入和输出都只有1个电路。

再加上两个与门保护设置后Q的状态。

输入D(data)，CP（控制端）。得到一个用于保存1bit的电路（输入D后，将D的值保存于Q中），触发器（D为输入值，Q为保存值，CP为开关）。只有当CP打开时才会开始根据D的值修改Q，当CP关闭的时候，D最后的值决定了Q保存的值。

边沿触发（分为上升沿D触发器和下降沿D触发器），两个D触发器组合起来实现。这样就不需要人为同步比特和控制的输入时间了。

上升沿D触发器只有在CP脉冲的上升沿触发，也就是只有在控制端的输入从0变为1的一瞬间，会把当时比特位输入的值存到右边的Q中。（左边的Q相当于一个临时缓存值）

将多个上升沿D触发器连接，形成一个移位寄存器，每次开关通电，每个节点的比特位会被设置成前一个节点的比特位。（位移实现乘除法）

输出总是和上一次相反，称为乒乓触发器、反复触发器、T（Toggle）触发器。

 

半机械半电子实现的计算机 或者 电子二极管、三级管的计算机，速度特别慢。

本征硅，纯硅，晶体（结构对称有规则，有固定的熔点），半导体。还有铢也一样。

晶体管代替电子管：

在纯净本征的半导体两边分别掺杂硼和磷，能使它导电性改善，并具有单向导电性。称为晶体二极管。

如果掺杂的是砷和镓，也能制作出晶体二极管，还会发光。称为发光二极管（LED），经过 特殊处理还能控制光的颜色。耗电少不发热。

晶体二极管有单向导电性，但是不能放大电子流量。

本征半导体两边掺杂硼，中间掺薄薄的（1微米-10多微米（千分之一毫米=微米））磷，将3处通电，具有放大作用，称为晶体三极管。

晶体管可以比电子管体积小很多（小到肉眼看不见，但是需要外壳保护导致体积大一些），并且不需要机械运动。不需要高电压就能工作。

 

乒乓触发器，每次CP上升时，输出Q的值都会变化一次（0、1）。使用晶体管代替电子管

多个乒乓触发器连接，形成一个二进制数，每次CP输入都会导致这个二进制数加1。相当于进位。每一次脉冲会使计数产生自加一操作。

寄存器：用于保存计算的中间结果。将D的值保存到Q中。

 

把输入先放到寄存器，再使用寄存器中的值输入到加法器里面进行运算和输出。

使用寄存器，减少输入端数量，变为一个输入端。

使用寄存器保存计算的中间结果，否则无法连加。

 

RA可以存放来自不同输入端的数据，但是不能同时有多个一起来，否则输入会互相影响导致错误。

用开关来实现电路的开关，控制输入的开关（半导体实现而不是电路），称为传输门。将多个bit的开关合成一个。

一个5bit的输入（5条数据线总称为总线），传输门GA、GB，寄存器RA、TR，（K..为寄存器开关、传送门开关）和一个加法器实现了一个完整的加法运算电路（实现计算器的输入和连加运算）。传送门的作用是使多个数据轮流使用总线而不冲突。

 

实现(+ 10 5 7 2)操作：初始全部开关打开。操作流程为：

将10存到RA中：输入10，合Kga，合Kra，断Kra，（断Kga），

将10+5存到TR中：输入5，（合Kga)，合Ktr，断Ktr，

将TR的值移动到RA中(TR中的值会变为30)：断Kga，合Kgb，合Kra，断Kra，断Kgb，

再加7：输入7，合Kga，合Ktr，断Ktr，

将22移动到RA中（TR中的值变为溢出）：断Kga，合Kgb，合Kra，断Kra，断Kgb，

再加2：输入2，合Kga，合Ktr，断Ktr，断Kga。

此时TR中的值为24。RA中的值为22。

 

简化操作：

将上述4个开关进行封装后提供另外几个人性化的接口。

封装后留下的接口：(在我们的新电路模块中实现以下逻辑电路)

输入：还是一样，去拌动输入数的几个bit开关。

装载：将输入数放到RA中。

相加1：将输入数和RA值相加保存到TR。

相加2：将TR值移动到RA中。

除了以上输入(前4个开关)-->输出（后4个开关）的对应关系，剩余的输入会使输出全为0。

 

由于D上升沿触发器的特性，输入需要在寄存器合上之前合上才能使寄存器正常工作，所以需要进行改造。使用了1个非门，2个与门。以及一个用2个上升沿D触发器制作的循环移位寄存器(RR（初始t0=1;t1=0;）)。

存储器

存储一个bit，且支持读写操作。输入输出共用一个口，读写为访问控制(access)。

5bit的二进制数的存储器

4个5bit数的存储器

地址译码器:把访问控制输入变为只有一读一写，使用地址输入来寻址。

封装后的存储器接口：地址(二进制数的数量)+控制(W/R)+数据(I/O)。及随机访问寄存器(Random Access Memory(RAM))，访问任何地址的二进制数所花的时间都一样。需要用电，易失性存储器。

磁芯：电子管和晶体管用来制作存储器太费钱，体积也太大。所以曾经使用磁芯来代替。断电也能保存原来数据，读会导致原数据丢失需要再写回。

 

利用存储器和加法器。先存储，再计算。

将输入数存放到存储器，然后再顺序的取出来相加。

冯诺依曼认为，存储器不止可以存操作数，还能存命令。

将开关也使用振荡器代替，并且在完成任务后震荡器会停下。无需人为操作。

 

计算机指令越来越多，译码器会根据不同的指令做不动的操作。称为指令集。

寄存器越来越多，机器字长越来越大，运算器支持基础的数学运算。

 

冯诺依曼体系结构：存储器+运算器，指令和数据都存放在存储器，在控制器的指挥下，指令一条一条的自动执行。

哈佛体系结构：不常用

 

搭上物理学发明的便车，计算机迅速发展，体积从大到小：

续电器(电磁感应开关)->电子管(真空电子辐射)->晶体管(半导体)->集成电路(价格低、体积小的晶体管集合)

磁芯存储器，静态存储器(SRAM)

电容器：减少存储器中的晶体管数量。(DRAM)

只读存储器：（ROM）

微代码ROM：代替加法器等逻辑门电路部件。

运算器和控制器集成到单独的芯片里，称为CPU，没有振荡器，需要外接其他部件，外接线做成引(线)脚。每个CPU都有自己的指令集。

CPU执行命令时，内部速度很快，但是与外接部件相连，外接部件速度慢。速度得不到匹配，CPU执行命令时经常处于等待状态，拖慢了CPU的速度。需要平衡处理器和内存的速度。

流水线技术：将大的指令拆成多个小动作组成。

逻辑电路1和逻辑电路2可以并行工作，CPU等待周期变短。

超标量体系结构：允许CPU在一个时钟周期内运行多条指令。

将每条指令分为3个动作：取指令、译码、执行。3条指令的不同动作可以在同一时钟周期执行，由于是不同的指令，所以3个动作不需要串行。

跳转指令(执行后才知道接下来是顺序执行还是跳转到某处开始执行)开始执行时，它后面的两条指令已经进入流水线，这种情况下，处理器只能清空流水线，从将要跳转的目标地址重新读取指令。

分支预测功能：增加额外电路来预测将要发生的跳转(可能跳转)，预测成功则正常运行，预测失败则清空流水线重新读取指令。

 

高速缓存技术：基于局部性原理。使用SRAM来制作高速缓存。

高速缓存的命中率依赖于高速缓存的设计和软件的编写技巧。

 

丰富的I/O设备使计算机不止能计算数学题，还能丰富我们的生活，做更多的事情。一切东西都可以作为IO设备。

连接IO设备：与IO设备相连的逻辑电路中，有一些寄存器，称为I/O端口，负责缓存通信双方的数据。

所有端口都像内存地址一样顺序编号，方便读写。

1：划分内存地址给IO端口用

2：专用于访问IO端口的指令

 

插口规格统一。

数字-模拟 信号互相转换。

扩展槽。

声卡(将麦克风的音频电流数字化，将连续不断的数字模拟化，并驱动扬声器)、显卡、网卡等插在扩展槽上的接口卡，都是为了信号转换而存在的。

模拟信号->数字信号->IO端口(位于接口卡上，设备不同需要不同数量的端口，用途不同)。

插口处引脚数量就是电路接通数量。

常用的接口卡就直接焊在(集成)主板上。比如串行口、并行口、USB接口(二进制数据的传输，不需要信号转换)？

 

现代IO接口都有自己的微处理器，能执行与设备相关的程序指令。

CPU轮询IO端口的数据，无用功做的太多，出现了中断（硬件中断）技术。

IO接口和CPU之间用专门的线路来传送中断信号，每种外设都分配了各自不同的中断号。

当硬件发来中断号时，CPU会做上下文切换，执行中断处理程序。

最重要的硬件中断是定时器发来的。

直接存储器存取(DMA)： 外围设备可以通过DMA控制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续执行程序。存储器(内存) 和 存储器(IO接口缓存)之间的高速、直接传送。CPU初始化这个传输动作，后面的传输动作本身是由DMA控制器实行和完成的。总线控制权由CPU交由DMA控制器，结束后又交给CPU。 DMA请求、DMA响应、DMA传输、DMA结束4个步骤。

 

 

 

 

 

 

键盘：

能输入256个字符。

显示器：

一道电子束，不停的上下移动占满整个屏幕，在移动的过程中不停的变化强弱。(黑(0)白(1)电视)

刷新率：每秒刷新次数。

显卡中的显存用于缓存屏幕上的像素数据。

灰度：颜色从黑变白经过的每一种颜色，目前流行256种灰度。

 

彩色：三束电子流，各自控制自己的强弱。

24位真彩色：256*256*256=16 777 216种搭配。

为了凑整数对齐，一般使用32位，但是最后8位无用就设置为0。

 

屏幕制作技术：CRT(阴极射线管)显示器，液晶（液态晶体）显示器。

注：组成物质的分子、原子之间的距离不同基本决定了物质的形态（固态、液态、气态）。

加电压的液晶排列会发生变化，依然整齐。

 

旋光性：很多晶体可以使光线发生旋转。

注：光也是电磁波(沿各个方向震动的波)。电磁波和声波不同。

偏光片：滤掉各个方向的光，只留下震动方向和沟槽一致的光线。

玻璃不属于晶体

很多晶体具有旋光性，也包括液晶。

使用液晶

增加电压改变液晶的排列反向。

这样就能使用液晶原理显示黑白两个颜色。

 

1：程序给出一些重要参数，加上数学公式就能计算出屏幕最终显示的图像，而程序就不用依次去设置每一个点了。

2：将显存分成几个部分，叫做位平面，每次只把一个位平面的内容显示在显示器，就能流程的播放动画了。

上述两项从CPU中移到GPU中进行，减轻CPU负担。

 

 

计算机启动过程：

通电时，ROM中已经有数据，而RAM还是空的。CPU开始从ROM中取出指令来执行：检测各种部件、初始化。ROM中还包含少量常用的外部设备驱动程序。该ROM也被称为BIOS（basic input/output system）

CPU执行BIOS中的代码进行POST（Power On Self Test），如果发现硬件有问题CPU就通过喇叭发出不同的音调加以提示，并向某个约定的端口发送二进制数字代码表示出错原因，可以通过仪器进行测试。

例：POST过程中，内存单元会全部被写一遍又读一遍看看是否符合预期行为。

ROM存放初始化程序，我们的程序存放在外存上。

 

外存（辅助存储设备）：

留声机：将声音的震动频率刻在圆盘上，之后通过刻的坑控制纸片发出声音。

钢丝录音机：电磁头在钢丝上留下剩磁，通过剩磁产生电流，经过放大后发出声音。

磁带录音机：用磁带代替钢丝。

以上都是顺序检索，随机检索则比较麻烦。

 

硬盘：不同的磁场表示0和1，双面可存储。

磁盘属于外设，有自己的IO端口，有中断功能，也采用DMA机制。

为了提高存储设备的IO速度，发明了不同的IO接口：ATA（IDE，并行）、SATA（串行）。

 

扇区是硬盘读写的基本单位，通常每个扇区能存储512字节。

CPU给硬盘IO接口发出指令，把磁头号、柱面号、扇区号、数据在内存中的地址告诉IO接口的端口寄存器，剩下的工作由硬盘来自动完成。

 

光记录：光盘。大功率激光束的有无，使某些地方的化学材料透光性变差，另一些没变化。

垂直记录技术：磁盘技术优化，每个比特的磁场立起来，像钉子一样楔入磁层中。磁场消失的时间变长。

巨磁阻效应：有的东西的电阻会受到磁场的影响，非常微弱的磁场变化就能显著改变它们的电阻。应用在硬盘上，磁盘技术优化。

 

固态磁盘：半导体材料和集成电路的结合产物。U盘(使用USB接口)、手机存储卡、固态硬盘等，内部没有机械旋转，只有集成电路芯片，体积小。贵。

固态硬盘在内部模拟成可以按扇区来读写，在外部与传统的硬盘接口保持一致。向前兼容。

 

操作系统：CPU执行完ROM的指令后，需要开始加载执行外存上的操作系统，以管理整个系统。版本丰富，侧重点不同，所以没有固化到ROM中。磁盘上可以存放多个操作系统。

 

OS自举流程：

CPU从ROM中取得指令执行（期间检测硬盘和系统初始的布置工作）后，CPU把硬盘0面0磁道1扇区（称为主引导扇区）的内容读入内存，然后执行一个跳转指令进入这里继续执行。（ROM中紧挨着读取和检测主引导扇区指令的是一个跳转指令）

主引导扇区：446Byte启动指令和数据 + 64Byte分区表 + 2Byte花码（01010101 10101010） = 512Byte。

分区表指明这块物理硬盘被分为几个部分，允许4个主分区，每个分区16字节，指明起始位置和大小、类型(哪种OS负责管理)、是否为活动分区(可以启动的，只能有一个)。

主引导扇区的启动指令分析读入内存的分区表，找到唯一的活动分区，算出该分区的起始位置，

从那个扇区读入操作系统写在那里的引导代码，将它读入内存，接着执行读入的扇区内容。（操作系统的引导代码位于各个分区的前若干个连续的扇区中）

 

OS主要功能：

任务调度：主板上的时钟电路定时向CPU发出一个中断，时钟中断是无条件产生的。CPU收到硬件中断就会上下文切换，放下当前任务，去处理中断，而CPU要执行的中断指令是操作系统的一个组成部分，也就是调度程序。完成多进程的切换，并发执行进程。

虚拟内存：抽象存储空间，与物理存储区分对应，进程只知道虚拟内存，更灵活，可以将磁盘当成内存用。

设备管理：将设备的使用权合理的分配个各个进程。向程序提供API，使用硬件驱动与硬件通信。

 

文字处理软件：存储的格式与普通文本不同。普通文本只存文字的编码，没有字体、颜色、图片等等功能，但是普通文本简单通用。

 

压缩解压软件：无损压缩和有损压缩。压缩的本质就是改变存储方式，减少重复数据。解压则是与压缩反向的操作。有的文件是无法压缩的，因为它的存储已经很精辟了。

 

数字图像：二进制表示图像，可以编辑图像。图像格式：JPEG、GIF、TIFF、PNG等，可以减小图像所占存储空间。

数字视频：连续显示的图片（帧），视频格式（包含声音压缩）：MPEG、H.26*等，删除连续图片之间的韧余。

 

计算机的发展，促使很多信息被编码成二进制存储和流通，因为计算机核心只能处理二进制。

 

计算机语言：二进制（指令集+参数）->汇编（与二进制一一对应的符号语言）->高级语言（概念抽象、容易阅读、跨平台、移植性、编写效率）

 

计算机病毒：对机器、用户等有害的软件。