计算机基本科学

注：以下内容包括图片均截取自 Youtube Crash Course的视频，若有侵权请联系我

计算机发展历史

1. 为了减少人类工作量，出现算盘
2. 然后有了步进计算器（原理就是数个齿轮，每个有十个齿，表示0-9，每加到9时，再加1会到0，前面的齿轮+1，就像算盘，减法相反，乘除不过是多个加减），可以做加减乘除
3. computer最开始是指计算的人，后来才指机器
4. 因为计算机可以减少很多人力物力，然后计算机高速发展

电子计算机

机电

1. 早期使用机械继电器连接电路， 比如控制马达，使齿轮+1（每秒50次）
2. 缺点：因为是机械，所以有延迟，磨损。
3. 要排除故障太费力，还会吸引臭虫（bug）

热电子管（玻璃）

1. 二极管（单向流动）： 一极加热放出电子，另一极吸引正电子（电流）；
2. 三极管：在二极管的基础上加一个控制电极，施加正电允许电子流动，负电阻止电子流动（与继电器功能一样，断开和闭合电路，但没有磨损） 。
3. 缺点：成本高， 会向灯泡一样被烧坏；

晶体管（固态）

1. 中间是半导体，可以控制半导体的导电性来控制电流。
2. 每秒10000次；
3. 体积更小，因为是固体，所以相对于热电子管更经用；（现在晶体管的小于50nm，而一张纸的厚度是10,000nm，每秒几百万次，工作时间更耐久）
4. 后来采用二进制进行计算

布尔逻辑和逻辑门

1. 使用两种状态就可以表示所有东西了。
2. 晶体管不仅可以开和关， 还可以让不同大小的电流通过，早期的计算机有三进制和五进制，但是进制越多越难区分信号（被干扰）
3. 早期数学已经开始研究二进制了，已经解决了所有运算法则（布尔代数）

三个基本布尔操作

NOT：将布尔值反转

AND：有false则output为false（将晶体管串联实现）

OR：有true则为true

XOR：相同则为false；不同为true

寄存器和内存

因为使用ALU计算后的数值需要存起来，于是有了内存。

RAM（Random Access Memory随机存取存储器）：

• 只在通电时数据是保留的

锁存器

• 可以记录一位信息

寄存器

• 并排存放的一组锁存器

• 寄存器能存一个数字，这个数字有多少位叫位宽

  

• Memory

  • 因为要存更多数据，并排存放的话需要很多数据线，此时需要用矩阵

​

• 那如何确定一个地址呢：

  • 使用“多路复用器（Multplexers）”

  • 原理（将行和列转化位8位二进制）

    

抽象化

256-bit-memory

256-byte-memory

可以将上面整体看成一个可寻址内存（RAM）：

以上内存是一个静态内存SRAM,现在有DRAM等很多

ALU

在CPU里面，ALU主要负责计算和判断

算术单元（arithmetic）

负责加减

• 半加器（Half adder）
  • 功能：输入两个bit，输出两个的和（SUM）及进位（CARRY）
  • 实现：

• 全加器（Full adder）
  • 功能：三个输入bit，同样输出sum与carry
  • 实现电路：

例子（8位行波进位加法器）

超出所表示位数表示“溢出”，后果很严重。

ps：现在使用超前进位加法器

逻辑单元（logic）

• 用来执行一些逻辑操作，比如AND OR NOT等，还有判断是否为负数，是否为0等

  

抽象化：

自建CPU

组件

• 需要RAM

• 假设一个操作码（opcode）

  前四位：

  

​ 后四位表示地址

• 所需寄存器
  • 指令地址寄存器：追踪程序运行到哪里，存当前指令的内存地址
  • 指令寄存器：存当前指令
• 启动计算机时，寄存器从0开始

CPU工作阶段

FETCH PHASE

• 取指令阶段

• 将指令地址寄存器连接到RAM，寄存器的值为0，RAM返回地址0的值

• 将值给指令寄存器

DECODE PHASE

• 解码阶段

• 识别操作码电路

EXECUTE PHASE

• 执行阶段

• 操作码正确可以打开RAM的允许读取线
• 这里说的是将地址14的数据放入寄存器A（RAM需要连接所有寄存器）
• 这个阶段完成，指令地址寄存器+1